在許多射頻設計中，將低噪聲放大器 （LNA） 放置在盡可能靠近天線的位置是標準做法，以在將接收到的微弱信號發送到前端電路的其余部分之前增強接收到的信號強度。這樣做是為了最大限度地減少信噪比 （SNR） 的下降。原因很簡單：克服天線和前端之間的同軸電纜中的信號衰減，并最大限度地減少從 LNA 到遠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，噪聲系數低于 1 dB；對于深空接收器等極端應用，LNA 和信號路徑可能會過冷，以將自身產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產品，例如固定方向的家用電??視接收器碟形天線（美國的 DISH 網絡），甚至通過甚小孔徑終端 （VSAT） 接入互聯網天線，直徑小于 3 米，安裝在屋頂或房屋側面（圖 1）。LNA 由直流電供電，直流電通過同一根同軸電纜傳輸，該同軸電纜將放大后的射頻信號從放大器向下傳輸；整個 LNA 組件通常稱為低噪聲模塊 （LNB）。

到目前為止，這一切似乎都很簡單，但是當你有一個數十米寬的可操縱天線并從深空探測器捕獲令人難以置信的低功率信號時，情況就完全不同了。在這些情況下，即使是分數 dB 的信號損失或增加的噪聲也是代價高昂的，而受極端溫度影響的 LNA 會增加其他壓力。此外，訪問前端迂回是困難和尷尬的。

為了克服這個問題，已經設計了一種相對較新的方法。它已被用于美國宇航局戈德斯通天線站點設施的幾個大型天線。它還在深空網絡馬德里綜合體的 34 米 DSS-53 天線上使用，該天線于 2022 年 2 月正式啟用（圖 2）。它專為 Ka 波段接收 （31.8–32.2 GHz） 和發射 （34.2–34.7 GHz） 操作而設計。

可改裝的波束波導 （BWG） 天線使用特殊的“饋電”布置，帶有五個精密射頻鏡，將無線電信號沿管子從天線反射到地下室（圖 3）。這些不僅僅是波導，因為它們實際上反射能量，因為光會從鏡子反射，而不僅僅是限制和引導它。這種設計允許敏感的電子設備在氣候受控的設備室中，而不是在室外。該布置不是“直線”鏡面部分，而是使用射頻鏡進行幾個直角轉彎。

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

這實際上是一個除了 LNA 方面之外的“雙向”故事。同一根天線搭配80kW發射機，發射和接收功能明顯對齊。因此，大功率水冷式發射機和低噪聲低溫放大器的設計可以顯著簡化，因為這些系統不必像通常饋電的雙反射器天線那樣傾斜。隨著新技術的發展，該配置還簡化了設備的維護和修改。

當然，如果沒有大量的仿真和測試，這種類型的設計就無法實現。在提交之前，在一個寬 6 米、高 6 米、長 18 米的微波消聲室中安裝了 BWG 測試結構，以驗證概念驗證。

在測試中，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）由實心鋁塊加工而成，并用于一鏡、二鏡和三鏡測試配置。

BWG 反射鏡由鋁塊加工而成，具有必要的拋物面曲面，可實現緊密聚焦的反射。資料來源：噴氣推進實驗室

由于與其他方法相比，鏡筒方法提供了許多潛在的好處，因此其設計人員實際上在研發天線中準備了兩個獨立的設計。首先，“旁路”設計將 BWG 置于現有立面之外，因此可以對其進行改造，或與現有系統并行使用。其次，新系統的“僅中心”設計將 BWG 放置在仰角軸承內的碟形中心。因此，它不允許舊式饋送安排。

如果您假設這些大碟形天線代表成熟的技術，并且唯一改進的領域是精確定位系統和射頻電子設備，那么這種 BWG 技術表明仍有重大創新的空間。您可以在噴氣推進實驗室 （JPL） 深空通信的“第 7 章：34 米研發波束波導天線”和“第 8 章：34 米波束波導操作天線”中閱讀所有技術細節和導航系列 （DESCANSO）書籍免費提供。整本書系列都是關于前沿設計的引人入勝的讀物，以應對嚴峻的挑戰場景。

您如何看待這種安排？您能否看到一個適用于 5G 和其他鏈路的小規模版本，因為需要加熱、冷卻和接入，暴露的電子設備（即使在非機械可操縱天線中也是如此）是一個問題？

文章作者：BILL SCHWEBER