测控应答机作为卫星的关键子系统,是星地通信中的主要通道,它的正常工作与否决定了卫星任务的成败。随着微小卫星的发展,对测控应答机也提出了更高的要求。微小卫星所使用的测控应答机必须具备功耗低、体积小、重量轻、功能完善的特点。而国内现有的测控应答机除了在性能指标上可以满足微小卫星的要求,在体积和功耗上均无法满足其要求。本文在项目组原有的模拟测控应答机的基础上,提出了小型测控应答机的设计方案。主要由接收机模块、发射机模块、基带处理模块、解调模块和电源模块构成。研制成功后小型测控应答机总重70g,功耗3.5W,体积210cm3,接收灵敏度达-92dBm,发射功率大于250mW,满足微小卫星的使用要求。但是在灵敏度指标上与传统测控应答机存在较大差距,这也限制了它的使用范围。本文在分析小型测控应答机接收机结构的基础上,发现了限制其灵敏度的主要因素,即以频率合成器与VCO构成的载波跟踪环。并提出了以模拟锁相环与数字式频率合成器嵌套结构为基础的新型接收机方案,可以在不增加功耗和体积的基础上,大幅度的提高小型测控应答机接收机灵敏度。通过计算和仿真嵌套环路的系统函数,本文提出了快速确定频率合成器带宽的方案,在此基础上可以将复杂的嵌套环路等效为简单的二阶锁相环。并使用等效公式分析环路的噪声、锁定时间和灵敏度指标。通过信号仿真的方法可以在设计完环路参数的同时仿真观察环路内部各点的信号情况,从而可以有效地指导实际电路的调试。本文详细介绍了小型测控应答机硬件改进方案,通过先使用Matlab设计环路参数,再仿真锁相环内部信号,最终在实际电路实现这样的步骤,可以方便的设计不同性能参数的接收机电路。实验结果证明改进后的小型测控应答机不仅灵敏度得到了大幅提高,达到-110dBm；而且满足小型化、低功耗的微小卫星使用要求。