在許多射頻設(shè)計(jì)中，將低噪聲放大器 （LNA） 放置在盡可能靠近天線的位置是標(biāo)準(zhǔn)做法，以在將接收到的微弱信號(hào)發(fā)送到前端電路的其余部分之前增強(qiáng)接收到的信號(hào)強(qiáng)度。這樣做是為了最大限度地減少信噪比 （SNR） 的下降。原因很簡(jiǎn)單：克服天線和前端之間的同軸電纜中的信號(hào)衰減，并最大限度地減少?gòu)?LNA 到遠(yuǎn)程前端的傳輸路徑添加的熱噪聲和其他噪聲的影響。

天線上的典型 LNA 將提供 10 到 20 dB 的增益，噪聲系數(shù)低于 1 dB；對(duì)于深空接收器等極端應(yīng)用，LNA 和信號(hào)路徑可能會(huì)過(guò)冷，以將自身產(chǎn)生的熱噪聲降低到接近零。將 LNA 放置在天線饋電處用于大型碟形天線以及消費(fèi)產(chǎn)品，例如固定方向的家用電??視接收器碟形天線（美國(guó)的 DISH 網(wǎng)絡(luò)），甚至通過(guò)甚小孔徑終端 （VSAT） 接入互聯(lián)網(wǎng)天線，直徑小于 3 米，安裝在屋頂或房屋側(cè)面（圖 1）。LNA 由直流電供電，直流電通過(guò)同一根同軸電纜傳輸，該同軸電纜將放大后的射頻信號(hào)從放大器向下傳輸；整個(gè) LNA 組件通常稱(chēng)為低噪聲模塊 （LNB）。

到目前為止，這一切似乎都很簡(jiǎn)單，但是當(dāng)你有一個(gè)數(shù)十米寬的可操縱天線并從深空探測(cè)器捕獲令人難以置信的低功率信號(hào)時(shí)，情況就完全不同了。在這些情況下，即使是分?jǐn)?shù) dB 的信號(hào)損失或增加的噪聲也是代價(jià)高昂的，而受極端溫度影響的 LNA 會(huì)增加其他壓力。此外，訪問(wèn)前端迂回是困難和尷尬的。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種相對(duì)較新的方法。它已被用于美國(guó)宇航局戈德斯通天線站點(diǎn)設(shè)施的幾個(gè)大型天線。它還在深空網(wǎng)絡(luò)馬德里綜合體的 34 米 DSS-53 天線上使用，該天線于 2022 年 2 月正式啟用（圖 2）。它專(zhuān)為 Ka 波段接收 （31.8–32.2 GHz） 和發(fā)射 （34.2–34.7 GHz） 操作而設(shè)計(jì)。

可改裝的波束波導(dǎo) （BWG） 天線使用特殊的“饋電”布置，帶有五個(gè)精密射頻鏡，將無(wú)線電信號(hào)沿管子從天線反射到地下室（圖 3）。這些不僅僅是波導(dǎo)，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上反射能量，因?yàn)楣鈺?huì)從鏡子反射，而不僅僅是限制和引導(dǎo)它。這種設(shè)計(jì)允許敏感的電子設(shè)備在氣候受控的設(shè)備室中，而不是在室外。該布置不是“直線”鏡面部分，而是使用射頻鏡進(jìn)行幾個(gè)直角轉(zhuǎn)彎。

一系列反射鏡將射頻信號(hào)從饋電喇叭反射到放大器，在一個(gè)方便、有遮蔽的環(huán)境中；鏡像路徑也適用于上行鏈路方向。資料來(lái)源：ResearchGate

這實(shí)際上是一個(gè)除了 LNA 方面之外的“雙向”故事。同一根天線搭配80kW發(fā)射機(jī)，發(fā)射和接收功能明顯對(duì)齊。因此，大功率水冷式發(fā)射機(jī)和低噪聲低溫放大器的設(shè)計(jì)可以顯著簡(jiǎn)化，因?yàn)檫@些系統(tǒng)不必像通常饋電的雙反射器天線那樣傾斜。隨著新技術(shù)的發(fā)展，該配置還簡(jiǎn)化了設(shè)備的維護(hù)和修改。

當(dāng)然，如果沒(méi)有大量的仿真和測(cè)試，這種類(lèi)型的設(shè)計(jì)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在提交之前，在一個(gè)寬 6 米、高 6 米、長(zhǎng) 18 米的微波消聲室中安裝了 BWG 測(cè)試結(jié)構(gòu)，以驗(yàn)證概念驗(yàn)證。

在測(cè)試中，四分之一比例的拋物面鏡（與全尺寸 34 米天線中使用的相比）由實(shí)心鋁塊加工而成，并用于一鏡、二鏡和三鏡測(cè)試配置。

BWG 反射鏡由鋁塊加工而成，具有必要的拋物面曲面，可實(shí)現(xiàn)緊密聚焦的反射。資料來(lái)源：噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室

由于與其他方法相比，鏡筒方法提供了許多潛在的好處，因此其設(shè)計(jì)人員實(shí)際上在研發(fā)天線中準(zhǔn)備了兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)。首先，“旁路”設(shè)計(jì)將 BWG 置于現(xiàn)有立面之外，因此可以對(duì)其進(jìn)行改造，或與現(xiàn)有系統(tǒng)并行使用。其次，新系統(tǒng)的“僅中心”設(shè)計(jì)將 BWG 放置在仰角軸承內(nèi)的碟形中心。因此，它不允許舊式饋送安排。

如果您假設(shè)這些大碟形天線代表成熟的技術(shù)，并且唯一改進(jìn)的領(lǐng)域是精確定位系統(tǒng)和射頻電子設(shè)備，那么這種 BWG 技術(shù)表明仍有重大創(chuàng)新的空間。您可以在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 （JPL） 深空通信的“第 7 章：34 米研發(fā)波束波導(dǎo)天線”和“第 8 章：34 米波束波導(dǎo)操作天線”中閱讀所有技術(shù)細(xì)節(jié)和導(dǎo)航系列 （DESCANSO）書(shū)籍免費(fèi)提供。整本書(shū)系列都是關(guān)于前沿設(shè)計(jì)的引人入勝的讀物，以應(yīng)對(duì)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)場(chǎng)景。

您如何看待這種安排？您能否看到一個(gè)適用于 5G 和其他鏈路的小規(guī)模版本，因?yàn)樾枰訜?、冷卻和接入，暴露的電子設(shè)備（即使在非機(jī)械可操縱天線中也是如此）是一個(gè)問(wèn)題？

文章作者：BILL SCHWEBER