浅谈高频头原理及其研究

张学兵

【摘 要】随着卫星广播通讯技术的不断发展，卫星广播接收高频头在民用和专业领域的使用也越来越广泛。本文介绍了广播卫星接收高频头的功能及各项特性参数，对各种类型的高频头进行了详细的分类介绍，作者还结合实际工作分析了高频头损坏原因，提出了在使用中的注意事项，并将高频头在日常工作中的常见故障和处理方法进行了总结，供同行们参考。

【关键词】高频头 功能 分类 常见故障

1 前言

卫星广播接收高频头（以下简称高频头）是卫星广播电视节目接收系统中的一个很重要的元件，它的性能的好坏直接影响着卫星接收节目的质量。了解高频头的原理和性能，并对其进行科学地维护，在广播电视节目安全传输的体系中起着至关重要的作用。

2 高频头功能及原理

卫星电视接收机高频头（LNB）又称低噪声放大变频器，安装在卫星天线上，属室外单元。高频头的功能如下：

（1）对信号进行低噪声宽频带放大；（2）是对信号进行下变频；（3）中频放大。

低噪声放大要求噪声系数低，增益较高，对卫星天线接收到的微弱的卫星信号进行有效放大，提高接收系统的信噪比。下变频是将高频信号变为中频信号，避免信号频率太高造成馈线损耗过大和高频辐射严重。

高频头由波导微带转换器、微波低噪声放大器（LNA）、微波混频器、第一本振和第一中频前置放大器构成。经LNA放大后的信号送入下变频器进行变频，产生第一中频信号通过前置一中放放大后送到卫星接收机，高频头所使用的直流稳压电源由卫星接收机或有源功分器通过第一中频电缆提供，在高频头内部有一个直流/直流变换器，将经过二次稳压后的正电压转换成负电压输出。其电路工作框图如下图1。

3高频头的特性参数

高频头是整个卫星接收系统中极为重要的组成部分之一，维护人员必须要熟练的掌握高频头的各项特性参数，以便于在日常维护工作顺利开展。

3.1输入频率

输入频率是指高频头所能接收到的卫星转发器的下行频率范围。根据接收波段不同，可分为C 波段和Ku波段。其中，C波段的输入频率有3.4GHz-4.2GHz和3.7GHz-4.2GHz两种，因前者频率范围比后者宽，应优先选用。Ku波段接收频率范围为10.7GHz-12.75GHz；按照接收频率高，范围大又将其分为低频段（10.7-11.8GHz）和高频段（11.7-12.75GHz）。

3.2输出频率

输出频率是指卫星下行频率与高频头本振混频后所产生的信号中频频率。通常有950 MHz-1450 MHz、950 MHz-1750 MHz以及950 MHz-2150 MHz等几种，其中950 MHz-2150 MHz是目前C波段、Ku波段所通用的。选择高频头时应使信号输出频率在接收机输入频率范围之内，否则部分信号收不到。输出频率（即信号中频频率）计算方法如下：

C波段：输出频率=本振频率-下行频率

Ku波段：输出频率=下行频率-本振频率

3.3本振频率

本振频率是指高频头内部的本机振荡器产生的固定频率。

大部分C波段高频头的本振频率为5150 MHz，也有双本振（5150 MHz和5750 MHz）。Ku波段的本振频率较多，有 9.75 GHz、 10.0 GHz、 10.6 GHz、 10.75 GHz、11.25 GHz、11.30 GHz等，双本振需配合0/22KHz电子脉冲切换开关来使用。

3.4输入阻抗

高频头的输入阻抗指的是耦合装置处的阻抗，也就是探针或小环处的阻抗数值。输入阻抗为50欧姆，

3.5输出阻抗

高频头的输出阻抗必须和卫星接收机的输入阻抗相一致，这样才能保证阻抗匹配。输出阻抗为75欧姆。

3.6驻波比

在工程上，一般采用电压驻波比来描述阻抗匹配的状况，根据传输线理论，阻抗不匹配时，馈线上就会有行波的同时也会有驻波存在，馈线上的电压波峰和波谷值之比，就是电压驻波比（VSWR）。高频头电压驻波比的典型数值在2-2.5左右。匹配阻抗状况越差，反射就越大，越容易引起误码。

3.7噪声系数

噪声系数指的是放大器输入端（高频头内有低噪声放大器）的信噪比与输出端信噪比的比值，通常C波段噪声系数用0 K表示。如25O K、17O K、13O K等，其数值越小越好；而在Ku波段噪声系数则用dB（分贝）表示，如0.8 dB、0.6 dB、0.5 dB等，其数值也是越小越好。噪声系数越小，则表示信号还原程度越高，接收节目音质越好。

3.8增益

增益用分贝表示，常见的一般多为60 dB，精品高频头的增益一般均在65 dB以上，此数值偏高一点好，但也不能太高，否则系统会产生自激而引发不稳现象。

4高频头的分类

高频头按外部结构形状划分，可分为单极化分体式和双极性馈源一体化（LNBF）两种，其中双极性馈源一体化高频头种类较多；按本振方式可分为单本振和双本振两种；按输出端口可分为单输出、双输出、多输出等，下面就将常见的几类高频头进行分类阐述。

4.1单极化分体式高频头

单极化分体式高频头的波导腔体里，只有一个极化振子，也称极化探针。只能接收一种极化信号，如要接收另一种极化信号，需将高频头旋转90°。单极化高频头的内部由于没有极化转换电路，因此信号耗损较小，增益和稳定性较高。

4.2双极性馈源一体化高频头

4.2.1双极性单本振单输出高频头

双极性单本振单输出高频头其波导管内部有两个互相垂直探针，分别接收水平（H）、垂直（V）信号，其间还有一个横棒为隔离针，起极化隔离作用。

双极性单本振单输出高频头，可以看成是两个单极化分体式高频头合用一个馈源，并且将13/18V电子切换开关电路引入到腔体内部，自动识别接收机送来的极化电压是18V还是13V，以选择水平或垂直的极化探针工作，从而达到双极性单输出的目的。

4.2.2双极性双本振单输出高频头

双极性双本振单输出高频头有C波段和Ku波段之分，两种高频头工作原理和应用范围是大相径庭的。C波段双极性双本振单输出高频头，主要用于C波段信号一星多机的接收；而Ku波段双极性双本振单输出高频头，则用于Ku波段全频带信号的接收。

（1）C波段双极性双本振单输出高频头普通的C波段双极化单本振高频头，一般只有一个本振频率5150MHz。当节目设置水平极化时，接收机向高频头馈送18V电压；垂直极化时，馈送13V电压。高频头通过识别工作电压，使相应的极化探针工作，所以高频头只能工作在一种极化方式里，不是水平就是垂直状态。

双极性双本振C波段高频头是两个单本振高频头组合而成，采用5150MHz、5750MHz两个本振频率对H、V极化信号作分开处理，两个本振频率相差600MHz，足以使两种极化信号的中频频率拉开距离。这样在3.6—4.2GHz范围内的两个极化信号，就被分别变频为950——1550MHz和1550-2150MHz内互不重叠的中频频率，从而实现共用一根馈线传送，配合接收机就可同时收到两个极化的信号。此时接收机识别到的只是不同频率的信号而已，与极化设置是水平，还是垂直没有关系。

使用双极性双本振高频头时，接收机的本振设置很重要：一般水平节目的本振设5150MHz，垂直节目设5750MHz。水平节目设置与一般的常规设置没有区别，而垂直节目5750MHz本振极化信号，如接收机中本振仍用5150MHz，则下行频率要减去600MHz。

（2）Ku波段双极性双本振单输出高频头。Ku波段双极性双本振单输出高频头，内置0/22kHz切换电路，通过卫星接收机输出的22kHz脉冲来分别选择其低、高本振；同时还通过卫星接收机的13/18V电压切换水平或垂直极化的卫星信号，实现Ku波段节目全频带接收。

在Ku波段双极性双本振单输出高频头里，只允许有一个本振电路、一个极化信号在工作，这也是和C波段双极性双本振单输出高频头的本质区别。

4.2.3 双极性单本振双输出高频头

（1）C波段双极性单本振双输出高频头。C波段双极性单本振双输出高频头，两路输出端口分别输出水平、垂直极化信号，两路端口可以同时工作，但每一路端口只能选择其中的一种极化信号。如配合二进（H、V）四出或二进六出等切换开关，可为四台、六台或更多数字卫星接收机提供无干扰接收信号。

（2）Ku波段双极性单本振双输出高频头。Ku波段双极性单本振双输出高频头是将两个独立的高频头电路做在同一印制电路板上，共用稳压电路和振荡电路，并共用一副馈源和探针。能够同时接收双极化卫星信号，并分两路独立输出，每路均可进行水平、垂直切换，互不影响，信号损耗极小，参数稳定性高。

5高频头的损坏的原因及日常维护

高频头的损坏原因较多，如能做好防护，并加强日常的维护，可以大大延长高频头的使用寿命，并使其工作更加稳定。

5.1高频头的损坏原因

高频头是长期工作在露天的有源电子部件，产生故障的原因有慢性的，如雨水锈蚀，也有瞬间的，如雷击、浪涌（电压和电流）冲击。

雨水锈蚀：长期日晒雨淋的LNB，如密封盒密封性能不良，易渗水，产生接触不良直至损坏。所以不能随便拆卸，最好外加防护罩。

雷电击坏：这是常见的现象，尤其是在多雷地区、多雷季节，必须做好天馈系统的防雷措施。

浪涌电压、电流冲击：在供电电压波动较大的地区，在室内设置的交流稳压器和电源进线的质量及布局有问题时，则常会发生浪涌冲击损坏。

5.2在日常维护工作中，需要做到以下几方面：

（1）定期检查高频头固定螺钉以及高频电缆接头（F头）是否松动，电缆接头防水胶带是否脱落，发现问题及时处理。（2）遇到下雪天气时，要及时清除馈源及高频头上的积雪。

（3）在拆卸高频头电缆时，要关掉卫星广播接收机，防止电缆供电回路短路损坏高频头。（4）做好天线的接地并定期检查接地，防止雷电击坏高频头。

5.3高频头维修时注意事项

（1）由于高频头的电路结构与电气性能密切相关，因此，高频头外壳最好不要轻意打开，也不允许对其电路的结构做任何形式的改变，以免因电路失配或其他原因引起高频头电气性能下降。（2）如果发现高频头已进水，内部有些元器件生锈，可用刀片将锈蚀部位仔细清理后，用无水酒精擦净，并放入干燥箱内进行干燥。

6 高频头常见故障案例

6.1故障案例一

C波段卫星接收机在晚间反复出现失锁，监听接收机节目时断时续，白天时故障消失，接收机接收节目正常。

故障处理：断开接收机电源，检查发现高频头输出电缆头（F头）松动，重新制作F头并紧固，故障消失，接收机接收节目正常。

此故障是因为在高寒地区早晚温差大，电缆热胀冷缩的现象比较严重，导致电缆芯线与高频头输出端芯线接触不良。

6.2故障案例二

Ku波段卫星接收机锁定指示灯灭，接收机无场强，Ku波段节目接收全部中断。

故障处理：在测量电缆供给高频头的电源正常后，断开接收机电源，经测量电缆的通断性良好之后拆开高频头，发现高频头输出耦合探针在放大板上的焊点脱开，重新焊接后，节目接收恢复正常。

6.3故障案例三

在阴雨雷电天气，一道闪电过后，所有接收机锁定指示灯灭，接收机无场强，C、Ku波段节目全部中断。

故障处理：经过仔细排查过后发现C、Ku波段高频头全部被雷电击坏，更换高频头后节目传输正常。

6.4故障案例四

C波段接收机柜内接收机连续几天内场强持续下降，最后接收机锁定灯灭，C波段节目全部中断。

故障处理：经排查后发现接收机、功分器、中频电缆及各连接处均正常，拆下高频头后发现耦合探针部位有积水，初步判断为馈源内壁出现冷凝水造成，后来将馈源及馈源膜用玻璃胶重新进行了密封后故障消除。

7 结语

高频头安装在室外卫星接收天线上，室外温度突变及周围自然环境、电磁环境的变化会对其产生较大影响，在由卫星接收天线硬件引起的卫星节目停传事故中，高频头引发的故障所占比例极高。因此，熟练掌握高频头的结构原理，不断积累高频头的日常维护经验，结合本单位的工作特点以及所在地区的地理位置、气候条件和自然环境总结出适合自身的维护规程，对做好安全传输发射工作至关重要。