諶德軍，梁顯鋒，饒 浩，安軍社

（1.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190）

0 引 言

海上浮標(biāo)作為一種經(jīng)濟適用的海洋監(jiān)測設(shè)備，能長時間在海上搜集水下信息，完成遠(yuǎn)海數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)[1?3]。浮標(biāo)水下載荷采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)編碼、調(diào)制后，通過衛(wèi)星通信前端放大、濾波并傳輸給中繼衛(wèi)星，再由中繼衛(wèi)星傳回到地面站，此通信鏈路為返向鏈路。地面站的遠(yuǎn)程指令經(jīng)中繼衛(wèi)星傳輸給浮標(biāo)，衛(wèi)星通信前端將接收到的指令信號進行濾波、放大，然后輸出到中繼通信機做進一步處理，此通信鏈路為前向鏈路。筆者所在團隊前期研制了一款應(yīng)用于海上浮標(biāo)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)[4]，其通信前端采用固態(tài)功率放大器與機械掃描天線相結(jié)合的方式。在高海況條件下，多次出現(xiàn)地面站接收數(shù)據(jù)丟包，甚至返向鏈路通信中斷的問題。機械掃描天線受限于伺服轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速[5]，難以在復(fù)雜海況下實時捕獲跟蹤衛(wèi)星信號。此外，伺服電機長時間運轉(zhuǎn)會導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸磨損，可靠性降低。

針對上述問題，本文研發(fā)了一款小型化、低成本和高可靠的相控陣衛(wèi)星通信前端。采用有源相控陣天線取代固態(tài)功率放大器和機械掃描天線，利用相控陣天線的電掃描特性[6]，在復(fù)雜海況下快速捕獲跟蹤衛(wèi)星信號，建立穩(wěn)定的衛(wèi)星通信鏈路。本文介紹了相控陣衛(wèi)星通信前端的系統(tǒng)設(shè)計方案，闡述了通信前端的實現(xiàn)技術(shù)，并給出了測試結(jié)果。

1 系統(tǒng)方案

1.1 特性分析

為避免相控陣天線在波束掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)柵瓣，天線陣元間距須滿足：

式中：d x和d y分別為相控陣天線x方向和y方向的陣元間距；λmin為天線頻帶內(nèi)的最小工作波長；θmax為波束最大掃描角。當(dāng)θmax=60°時，d x≤70.5 mm，d y≤70.5 mm。綜合考慮天線效率和工程化實現(xiàn)，選取d x=d y=70 mm。

相控陣天線需安裝在Φ520 mm的天線罩內(nèi)，若采用6×6矩形陣列布陣，天線口徑為594 mm，超出了天線罩的內(nèi)徑。因此去掉四個角的陣元，留出適當(dāng)空間安裝GPS天線，此時天線口徑為505 mm，滿足安裝尺寸要求，天線陣元數(shù)確定為32。

1.2 實現(xiàn)方案

S頻段相控陣衛(wèi)星通信前端系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要包括32陣元陣列天線、32通道TR組件、32路功分饋電網(wǎng)絡(luò)、波束控制處理系統(tǒng)以及二次電源變換電路。

圖1 32陣元相控陣衛(wèi)星通信前端系統(tǒng)框圖

為實現(xiàn)衛(wèi)星通信前端的小型化，陣面天線采用微帶天線進行設(shè)計。衛(wèi)星通信前端在向衛(wèi)星發(fā)射信號的同時，也在接收衛(wèi)星下傳的信號，為全雙工通信系統(tǒng)，需考慮接收信號與發(fā)射信號之間的相互干擾。發(fā)射通道輸出端和接收通道輸入端濾波器均采用腔體濾波器結(jié)構(gòu)，能有效抑制功率放大器輸出諧波以及帶外調(diào)制頻譜，避免發(fā)射信號泄露對接收通道產(chǎn)生干擾。波束控制系統(tǒng)控制TR子單元中的多功能芯片，完成收發(fā)信號的相位和幅度調(diào)節(jié)，獲得理想的空間合成波束。二次電源變換模塊將外來24 V一次電壓轉(zhuǎn)換為TR組件和波束控制系統(tǒng)所需的工作電壓。TR組件與微帶天線通過SSMP連接器實現(xiàn)射頻信號的垂直互連[7?8]，各模塊以疊層形式實現(xiàn)物理互連，外殼采用高導(dǎo)熱性金屬復(fù)合材料，整機通過金屬支架與天線罩金屬底座相連，實現(xiàn)良好散熱。

2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

2.1 TR組件設(shè)計

為實現(xiàn)TR組件的小型化，發(fā)射單元和接收單元均采用多芯片集成套片的設(shè)計方案。將發(fā)射子單元的多功能芯片、溫補衰減器、驅(qū)動放大器以及末級放大器集成為一個套片；將接收子單元的低噪聲放大器、溫補衰減器以及多功能芯片集成為一個套片。簡化了外圍電路，減少了電路面積，并優(yōu)先采用國產(chǎn)射頻芯片進行設(shè)計，降低了成本。

2.1.1 發(fā)射子單元集成化設(shè)計

一組發(fā)射組件包括4個發(fā)射子單元，發(fā)射子單元主要由四功分器、多功能芯片、增益放大器、功率放大器以及腔體濾波器組成。組件將輸入射頻信號通過增益放大器放大后輸入四功分器，再由四功分器將射頻信號分配于各個發(fā)射子單元中，射頻信號在子單元中經(jīng)多功能芯片移相調(diào)幅，并由驅(qū)動放大器以及功率放大器放大后，最終由腔體濾波器濾波后通過天線發(fā)射出去。發(fā)射鏈路結(jié)構(gòu)如圖2所示，指標(biāo)分配表見表1。

圖2 發(fā)射鏈路結(jié)構(gòu)圖

表1 發(fā)射鏈路指標(biāo)分配表

圖2 中的π形衰減器起到級間匹配的作用，改善功分網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出駐波。溫補衰減器用于補償信號因溫度變化引起的幅值偏移。末級功放采用GaAs器件，飽和輸出功率為29.5 dBm，鏈路設(shè)計中將末級功放推至飽和狀態(tài)。腔體濾波器的帶外抑制度優(yōu)于-70 dBc，能有效抑制輸出諧波信號。

2.1.2 接收子單元集成化設(shè)計

一組接收組件包括4個接收子單元。接收子單元主要由腔體濾波器、低噪聲放大器、多功能芯片以及四功分器組成。組件將輸入射頻信號通過腔體濾波器濾波后送入低噪聲放大器，放大后經(jīng)聲表濾波器送入四功分器，再由四功分器合路，合路后再由兩級低噪聲放大器放大后輸入八功分器，八功分網(wǎng)絡(luò)合成后由射頻公共口輸出。接收鏈路結(jié)構(gòu)如圖3所示，指標(biāo)分配表見表2。

圖3 接收鏈路結(jié)構(gòu)圖

表2 接收鏈路指標(biāo)分配表 dB

接收鏈路中π形衰減器與溫補衰減器的作用與發(fā)射鏈路相同。腔體濾波器的帶外抑制度優(yōu)于-70 dBc，能有效抑制發(fā)射信號，避免發(fā)射信號對接收鏈路產(chǎn)生干擾。根據(jù)式（2）可得[9]，接收鏈路的噪聲系數(shù)約為2.1 dB，鏈路增益為30 dB。

式中：F i為接收鏈路各級噪聲系數(shù)；G i為接收鏈路各級增益。

2.2 微帶天線設(shè)計

為滿足系統(tǒng)200 MHz的帶寬要求，采用雙層微帶天線形式設(shè)計，可有效拓展天線帶寬。天線輻射單元采用雙極化饋電，天線通過極化電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化。這種形式天線的輻射單元和極化電橋能夠?qū)崿F(xiàn)有效隔離，掃描過程中天線單元之間的互耦對TR組件影響較小，可以有效提高輻射效率，適合形成大規(guī)模陣列。通過內(nèi)置空腔和組合貼片等方法可以獲得足夠的帶寬和增益指標(biāo)。陣面天線采用6×6矩形切角陣列（共32單元）進行設(shè)計，同時在陣面旁放置GPS天線，仿真模型如圖4所示。陣列天線掃描角度增益如表3所示。

圖4 天線陣面仿真模型

表3 陣列天線掃描增益 dB

2.3 波控系統(tǒng)設(shè)計

波束控制電路的核心芯片為CLPD和FPGA芯片，采用1片F(xiàn)PGA芯片和3片CLPD芯片控制32個TR子單元。相控陣天線在捕獲跟蹤衛(wèi)星信號時，GPS/AHRS組合導(dǎo)航系統(tǒng)將實時獲取的天線位置以及姿態(tài)信息通過FPGA解算單元進行坐標(biāo)解算，計算出相控陣坐標(biāo)系下的波束指向方位角。解算單元將波束指向方位角傳輸給波束控制單元，獲取FLASH存儲器中各陣元在陣面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和校正碼。根據(jù)式（2）計算出各陣元所需的移相值，將各陣元的移相值轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的相位控制碼，相位控制碼與校準(zhǔn)碼組合形成波束控制字，通過FPGA的SPI串口傳輸給CPLD進行串并轉(zhuǎn)換，再下發(fā)給各陣元的多功能芯片，控制波束對準(zhǔn)衛(wèi)星。

式中：X i為第i陣元中心的橫坐標(biāo)；Y i為第i陣元中心的縱坐標(biāo)；φ為合成波束掃描方位角；θ為合成波束掃描俯仰角；λ為發(fā)射或接收信號的波長。

這種基于FPGA的波束控制系統(tǒng)具有算法簡單、運算速度快的優(yōu)點，可縮短天線波束指向衛(wèi)星的時間。相較傳統(tǒng)基于信標(biāo)的波束跟蹤方法[10]，這種方法對衛(wèi)星信號的捕獲跟蹤時間更短，衛(wèi)星通信鏈路更可靠。

3 天線測試

3.1 校準(zhǔn)測試

有源相控陣天線有32個陣元，各陣元模擬器件的幅相誤差相互疊加，會導(dǎo)致天線各陣元間的幅相一致性變差。通過暗室校準(zhǔn)測得各陣元間的幅相誤差，并通過移相衰減多功能芯片進行補償，可使天線各陣元的幅相一致性優(yōu)化，壓低旁瓣，提高波束的指向精度，優(yōu)化天線的性能[11?12]?？紤]工程實現(xiàn)的復(fù)雜度與測試精度，采用中場校準(zhǔn)法進行校準(zhǔn)測試。為減小校準(zhǔn)誤差，采用多次校準(zhǔn)取平均值的方法。

測試鏈路連接示意圖如圖5所示。

圖5 校準(zhǔn)測試鏈路圖

通過移動探頭完成32陣元的初始幅度和相位測試后，以幅度最小、相位最超前的陣元為基準(zhǔn)，生成校準(zhǔn)表，將校準(zhǔn)表導(dǎo)入FLASH中。FPGA波控程序調(diào)用校準(zhǔn)表，通過多功能芯片對各陣元進行幅度、相位補償，使各陣元幅度、相位近似相等。

多功能芯片的衰減位數(shù)為4位，步進為0.5 dB，陣元最大衰減值為0.5×( 24-1 )=7.5 dB。各陣元的幅度補償原則如下：

式中：i為陣元編號；φfeed(i)為第i陣元實際衰減值；φ(i)為第i陣元測試幅度平均值；min(φ)為各陣元中幅度最小值；round函數(shù)用于四舍五入取整。當(dāng)所需衰減值超過7.5 dB，則取7.5 dB。

多功能芯片的移相位數(shù)為6位，步進為5.625 dB，陣元最大移相值為5.625×( 26-1 )=354.375 dB。各陣元的相位補償原則為：

式中：i為陣元編號；αfeed(i)為第i陣元實際移相值（單位：（°））；α(i)為第i陣元測試相位平均值；min(α)為各陣元中相位最小值；round函數(shù)用于四舍五入取整。

多功能芯片的數(shù)字移相、衰減功能存在量化特性，實際移相與衰減值和所需值不同，會引入量化誤差。由式（4）和式（5）可知，衰減量化誤差≤0.25 dB，移相量化誤差≤2.8°。在各陣元相位和幅度量化誤差呈均勻分布的情況下，有無量化誤差時陣列法向方向圖的仿真結(jié)果對比如圖6所示。兩種情形下的陣列法向方向圖基本重合，校準(zhǔn)過程中存在的量化誤差對天線方向圖影響甚小。

圖6 有無量化誤差的陣列方向圖對比

3.2 性能測試

采用球面近場測試方法完成天線方向圖掃描[13]。為對比校準(zhǔn)前后的方向圖特性，在初始狀態(tài)的方向圖測試完畢后，利用波控上位機軟件導(dǎo)入校準(zhǔn)表，測試導(dǎo)入校準(zhǔn)表后的天線方向圖。發(fā)射與接收校準(zhǔn)前后輻射性能如表4和表5所示。

表5 接收方向圖俯仰45°，方位0°輻射特性對比

由表4和表5數(shù)據(jù)可知，天線校準(zhǔn)后，方向系數(shù)有所改善，旁瓣抑制度增大，主瓣波束寬度變窄，方向性變好。

4 試驗結(jié)果

應(yīng)用于海上浮標(biāo)的相控陣衛(wèi)星通信前端實物圖如圖7 所示，其關(guān)鍵性能指標(biāo)如表6所示。

圖7 S頻段相控陣衛(wèi)星通信前端實物

表6 相控陣衛(wèi)星通信前端關(guān)鍵指標(biāo)

由表6可知，相控陣衛(wèi)星通信前端性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求。在北京地面站完成對星試驗后，隨試驗船去南海進行海試，完成了四級海況下浮標(biāo)到地面站1 Mb/s高速率的實時數(shù)據(jù)傳輸試驗，同時實現(xiàn)了地面站對浮標(biāo)的實時遠(yuǎn)程指令控制。試驗期間，地面站接收到的返向鏈路信號信噪比在11~14.5 dB之間浮動，比所需門限值高出3 dB以上，通信鏈路傳輸誤碼率小于10-5，滿足實際應(yīng)用需求。地面站實測某段時間的返向累計誤碼率如圖8所示。

圖8 返向鏈路累計誤碼率

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于海上浮標(biāo)的相控陣衛(wèi)星通信前端。采用多芯片集成套片技術(shù)提高了TR組件的集成度，采用雙層微帶結(jié)構(gòu)提高了天線的帶寬和增益，采用基于FPGA的波控算法實現(xiàn)了衛(wèi)星信號的快速跟蹤。實測相控陣天線整機滿足設(shè)計指標(biāo)要求，利用我國現(xiàn)有中繼衛(wèi)星資源，完成了海上浮標(biāo)到地面站之間的實時通信試驗。試驗結(jié)果表明，該相控陣衛(wèi)星通信前端具有小型化、低成本和高可靠的優(yōu)點，能滿足海上浮標(biāo)在復(fù)雜海況下與地面站進行可靠通信的應(yīng)用需求。