楊 萍,黃 建

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

陣列天線已經(jīng)在各種無線電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。一般系統(tǒng)中陣列天線和陣列信號處理都集成在一個設(shè)備內(nèi),天線陣元的信號到處理機(jī)之間只需傳輸有限距離。但在一些應(yīng)用中,天線陣與處理機(jī)分別配置在不同地點,此時就需要將陣列信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)教幚頇C(jī)。一個典型的例子是衛(wèi)星或無人機(jī)上的陣列天線。為了盡量減小星上或機(jī)上設(shè)備復(fù)雜度、體積、重量和功耗,復(fù)雜的陣列信號處理需要在地面站完成。這種情況下必須采用無線鏈路將全部陣列信號傳輸?shù)降孛嬲净蜻M(jìn)行相反方向傳輸,并盡量減少各路信號串?dāng)_和失真,保持收、發(fā)端各路信號之間相對的幅度、相位關(guān)系不變。

采用毫米波鏈路進(jìn)行陣列信號傳輸具有明顯的優(yōu)點,包括:毫米波頻段帶寬寬,通信容量大,可以滿足一條鏈路同時傳輸多陣元信號的帶寬要求;毫米波頻段設(shè)備具有體積小的優(yōu)點,利于傳輸設(shè)備的輕小型化;毫米波鏈路可實現(xiàn)更高的鏈路增益,具有更好的傳輸質(zhì)量。因此,毫米波鏈路是實現(xiàn)陣列信號大容量、低失真?zhèn)鬏數(shù)闹饕侄沃弧?/p>

陣列信號的每一路信號都具有相同的信號形式,多路信號可以通過時分復(fù)用、頻分復(fù)用、碼分復(fù)用等方式在一個信道上傳輸。信號頻分復(fù)用傳輸技術(shù)能充分利用毫米波信道大帶寬的優(yōu)點,設(shè)備較簡單,傳輸失真小,信號干擾低,因而得到了廣泛的應(yīng)用,特別是在衛(wèi)星通信領(lǐng)域。

陣列信號頻分復(fù)用傳輸就是把毫米波信道劃分成若干個子信道,每一個子信道傳輸1路信號。信道總頻率寬度應(yīng)大于各個子信道頻率寬度之和,同時為了保證各子信道中所傳輸?shù)男盘柣ゲ桓蓴_,應(yīng)在各子信道之間設(shè)立隔離帶,這樣就保證了各路信號互不干擾。因此陣列信號頻分復(fù)用傳輸需要占用比較寬的帶寬。

目前,該技術(shù)已經(jīng)在美國等西方國家的軍事衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用。美國的TDRSS[1]S頻段多址(SMA)業(yè)務(wù)就是該技術(shù)的典型應(yīng)用。美國自1983年至今已研制了兩代TDRSS,無論是第1代還是第2代TDRSS,其中繼星上SMA都采用了陣列信號毫米波傳輸技術(shù)。

本文提出一種陣列信號頻分復(fù)用毫米波鏈路設(shè)計方案,詳細(xì)介紹了陣列信號復(fù)用/解復(fù)用和傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)及其實驗結(jié)果。

2 傳輸鏈路總體設(shè)計

該傳輸鏈路的主要功能是實現(xiàn)衛(wèi)星陣列天線信號在衛(wèi)星與地面站之間的雙向傳輸。

鏈路組成框圖如圖1所示。由圖1可見,鏈路共包括星上和地面兩部分。星上部分包括Ka頻段天線、Ka頻段雙工器、毫米波收發(fā)前端、30路頻分復(fù)用電路、12路解復(fù)用電路、S頻段雙工器和頻綜等,地面部分包括天線、Ka頻段雙工器、毫米波收發(fā)前端、30路解復(fù)用、12路頻分復(fù)用和頻綜等。

工作流程為:星上電路將S頻段相控陣天線接收的30個陣元信號用頻分復(fù)用方式,將30路同頻信號復(fù)合至1個信道,然后變頻到Ka頻段,通過下行鏈路傳回地面,在地面分離出各陣元信號(頻率解復(fù)用)后,下變頻到70MHz送多波束處理終端;同時,地面設(shè)備的12路信號經(jīng)地面波束形成處理后,也采用頻分復(fù)用方式,將12路同頻信號復(fù)合至1個信道,然后變頻到Ka頻段,通過毫米波上行鏈路傳到星上,在星上把各陣元信號解頻率復(fù)用后,下變頻到S頻段,經(jīng)S頻段相控陣天線輸出。

圖1 鏈路框圖Fig.1 Block diagram of the link

3 陣列信號FDM/DFDM設(shè)計

陣列信號的FDM/DFDM主要由星上和地面兩部分組成。星上電路與地面電路類似。星上DFDM與星上FDM電路工作原理相同,只是工作流程相反。因此,僅以星上FDM為例來說明。

來自相控陣天線的30路S頻段單個信號帶寬為7MHz,通道保護(hù)帶寬小于2MHz,各通道之間的隔離度要求大于35dB,因此需要在FDM合成之前對各通道信號濾波,所以各通道需要采用帶寬為7MHz、對偏離邊帶頻率1.5MHz抑制要達(dá)到35dB以上的濾波器。目前由于濾波器工藝水平的限制,無法直接在S頻段進(jìn)行FDM合成。因此需要先將S頻段信號下變頻至某一中頻,對各路信號濾波放大,FDM合成之后再上變頻。

3.1 星上FDM組成及工作原理

星上FDM要實現(xiàn)的功能是:星上S頻段相控陣天線接收的30路信號通過FDM合成1路信號。

一般來講,FDM有以下兩種實現(xiàn)方法。

(1)第一種方法

將30路S頻段信號分別通過30個本振信號進(jìn)行混頻,分別變頻到不同的載波上,由1個30路合路器合成一路輸出。該電路主要由30路的S頻段放大器、S頻段濾波器、混頻器、C頻段放大器、C頻段濾波器及30路合路器組成。

(2)第二種方法

采用6×5分組FDM和二次變頻的方法,其工作原理[1,2]如圖2所示。在圖2中,來自相控陣天線接收陣元的30路信號經(jīng)低噪聲放大、濾波后,每5路一組,共分為6組,每組通過不同的本振(6個相鄰頻率間隔7.5MHz的本振,每個頻率的本振有5路輸出)進(jìn)行一混頻后將得到6組不同的一中頻f11…f16;然后從6組信號中的每一組信號中各取一路信號合成1路,共合成5路信號輸出,然后每一路信號與5個不同本振(5個相鄰頻率間隔45MHz的本振)進(jìn)行二混頻,變換為5個不同的二中頻f21…f25。最后,5個二中頻合并起來產(chǎn)生30路頻譜不重疊、均勻排列的FDM合成信號。

圖2 FDM電路框圖Fig.2 Block diagram of FDM

與第一種方案相比,第二種方案中本振由30個減少為11個,僅增加 5個上混頻器,體積、質(zhì)量、功耗及器件種類有較大減少,有源電路數(shù)量和種類大大減少,從而增加了電路的可靠性。因此,本文選用第二種方案。

3.2 幅相一致性設(shè)計

在FDM電路設(shè)計中,幅相一致性是一個非常重要的指標(biāo)。因為通道間幅值和相位的不一致會嚴(yán)重影響陣列信號處理的性能,嚴(yán)重時甚至不能形成多波束。

在傳輸過程中,各陣元信號的頻率不同引入的幅度相位不一致性是主要誤差來源。在本次設(shè)計中采用的幅相一致性校準(zhǔn)方法是:通過實驗測試各通道之間的幅相變化,并相應(yīng)調(diào)整各通道數(shù)字移相器相位,然后在地面波束形成的加權(quán)系數(shù)中抵消其變化,可將各通道的幅相特性校正為一致,以滿足系統(tǒng)要求。

另外,為了達(dá)到多通道幅相一致性,在電路設(shè)計上還采取了以下措施:

(1)電氣、結(jié)構(gòu)設(shè)計均要保證一致性和對稱性,一些環(huán)節(jié)預(yù)留調(diào)節(jié)裝置;

(2)為了實現(xiàn)多通道間的幅度平衡,首先要使單通道帶內(nèi)有較高的平坦度,各個通道幅頻特性的變化趨勢基本一致;其次,各通道間的幅度一致性通過調(diào)整放大器的增益來解決;

(3)相位的不一致性受幾方面因素影響,通過選配元器件,使各個通道電路布局相同;通過裝配工藝、元器件擺放位置、焊接及印制板裝配等進(jìn)行嚴(yán)格控制;微調(diào)本振端電纜長度等措施抵消固定相差;

(4)減少工藝誤差,保證微帶加工工藝的一致性和批次性;保證裝配的元器件的同一批次性;保證有源器件的生產(chǎn)同一批次性。

3.3 FDM/DFDM信道間的隔離度

信道隔離包括空間隔離和電路隔離,其中,空間隔離通過屏蔽來保證。合理設(shè)計屏蔽結(jié)構(gòu),空間隔離一般可達(dá)到60dB以上。

電路隔離是通過濾波器、合成器和分路器來共同實現(xiàn)的。其中,濾波器是實現(xiàn)電路隔離度的關(guān)鍵部件。在本設(shè)計中,信道(中心頻率相隔7.5MHz,通道保護(hù)帶寬為小于2MHz,)間的隔離度要求大于35dB。

根據(jù)目前濾波器工藝水平,只有聲表濾波器能滿足帶寬和抑制度的要求,但是其中心頻率不超過400MHz[3]。對聲表濾波器而言,相對帶寬窄、矩形系數(shù)高是其難點。在本次設(shè)計中,聲表濾波器偏離邊帶頻率1.5MHz抑制可達(dá)到30dB以上?？紤]復(fù)用和解復(fù)用一個分路器和一個合成器及濾波器的效果,各復(fù)用通道隔離度可達(dá)50dB以上。同時,要求聲表濾波器還必須具備良好的幅度相位特性和溫度穩(wěn)定性。

4 毫米波鏈路設(shè)計

4.1 毫米波鏈路組成及工作原理

毫米波鏈路主要完成的任務(wù)是把S頻段FDM信號上變頻到Ka頻段,并通過Ka頻段天線發(fā)送出去;把Ka頻段信號下變頻到S頻段,送給頻分解復(fù)用單元。

毫米波鏈路包括星上和地面兩部分,其中星上電路和地面電路的設(shè)計原理是相同的,只是頻率稍有不同。下面僅以星上毫米波收發(fā)前端為例進(jìn)行說明。毫米波收發(fā)前端原理圖如圖3所示。

圖3 毫米波收發(fā)前端原理框圖Fig.3 Block diagram of the millimeter wave transceiver front end

發(fā)射支路工作原理是:中頻信號經(jīng)諧波混頻器上變頻到Ka頻段,再經(jīng)毫米波濾波器和放大器后送至天線輸出。

接收支路中,從天線接收來的信號經(jīng)隔離器、低噪放、毫米波濾波器,再經(jīng)下變頻器和中放輸出至解復(fù)用單元。

為了降低本振輸入頻率,提高端口隔離度,避免可能產(chǎn)生的組合雜波進(jìn)入信號通帶,毫米波收發(fā)電路均采用諧波混頻器。

為達(dá)到良好的噪聲系數(shù),對波導(dǎo)微帶探針過渡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[4],其插入損耗可低于0.2dB。第一級毫米波放大器選用的器件噪聲系數(shù)為2dB,增益為20dB,最后測試得到的接收機(jī)噪聲系數(shù)為2.3dB。

接收機(jī)采用薄膜微帶平行耦合線濾波器作為抑制鏡頻濾波器,以抑制鏡頻噪聲。該濾波器具有體積小、損耗低、頻率選擇性好等特點。經(jīng)測試,濾波器帶內(nèi)平坦度及阻帶抑制較好,對鏡頻抑制大于40dB,通帶內(nèi)插損為2～3dB。

4.2 幅頻特性

毫米波信道的帶內(nèi)平坦度直接影響各通道的幅度一致性。影響毫米波信道幅頻特性的因素有器件幅頻特性和駐波、微組裝工藝、器件及功能電路之間連接等。

為了保證信道的幅頻特性,采用了以下措施:

(1)信道采用毫米波Ka頻段,與微波相比,毫米波信道的相對帶寬較小,毫米波器件具有相對優(yōu)良的幅頻特性;

(2)選用駐波和幅頻特性好的毫米波器件,并利用器件擇幅頻特性相互補(bǔ)償來改善帶內(nèi)增益平坦度;

(3)對于駐波較差的器件,通過在其輸入、輸出端插入隔離器或衰減器的方式改善駐波;

(4)通過優(yōu)良的微組裝工藝減小各級輸入輸出端的駐波;

(5)在天線和中頻接口加隔離器,避免由于端口駐波較差引起信號幅頻和相頻特性的惡化。

5 群時延電路設(shè)計

在傳輸鏈路中群時延失真同樣會導(dǎo)致陣列信號處理產(chǎn)生誤差,必須將各路信號之間以及每路信號帶寬內(nèi)的群時延起伏控制在較小的范圍內(nèi)。

信道中的混頻器、功分器和放大器等具備較平坦的群時延特性,其群時延指標(biāo)通常是皮秒量級[5],對系統(tǒng)群時延貢獻(xiàn)很小。而濾波器是系統(tǒng)中頻響最窄的部分,所以往往是鏈路中最窄帶的濾波器限制了系統(tǒng)的群時延。在本設(shè)計中,群時延最大的是7MHz帶寬的聲表濾波器。

基于目前聲表濾波器的工藝水平限制,群時延波動最好指標(biāo)只能達(dá)到30 ns,這顯然不能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求,所以需要對群時延進(jìn)行補(bǔ)償。

群時延補(bǔ)償可以在中頻實現(xiàn),也可以在基帶實現(xiàn)。在中頻實現(xiàn)的缺點是需要引入一個新的中頻設(shè)備,這大大增加了地面接收系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度[6],是不現(xiàn)實的,因此需要在基帶上進(jìn)行群時延補(bǔ)償。

另一方面,可通過提高聲表濾波器設(shè)計和制造工藝水平來提高群時延指標(biāo)一致性,改善各路信號群時延誤差。

6 實驗結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計方案,研制出了一套設(shè)備,圖4為樣品實物圖。其測試結(jié)果為:群時延小于50 ns,隔離度大于40dBc,幅頻特性小于2.5dB,幅度一致性小于2dB,相位一致性小于20°。

圖4 樣品實物圖Fig.4 Picture of the sample

7 結(jié) 論

本文介紹了一種陣列信號頻分復(fù)用毫米波傳輸技術(shù),論述了頻分復(fù)用和毫米波鏈路設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù),通過樣機(jī)研制和測試,表明技術(shù)方案可行,性能指標(biāo)滿足陣列信號傳輸要求。該技術(shù)方案和關(guān)鍵技術(shù)可以應(yīng)用到多路陣列信號的毫米波傳輸中。

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