余鵬程 葛楓 吳瑞榮 陳小群

(1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)(2 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于高等效全向輻射功率(EIRP)、頻率復(fù)用、大功率合成、干擾抑制等要求，多波束天線已在國(guó)內(nèi)外新一代通信衛(wèi)星中普遍采用[1-3]。相比機(jī)械掃描反射面天線，多波束相控陣天線系統(tǒng)通過控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來改變方向圖形狀，控制相位可以改變天線方向圖最大值的指向，以達(dá)到波束掃描的目的，也可以通過加權(quán)優(yōu)化控制副瓣電平、零點(diǎn)值位置等參數(shù)[4]。具有高增益、高指向精度、高可靠性、實(shí)時(shí)響應(yīng)、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，能很好地滿足中繼衛(wèi)星系統(tǒng)同時(shí)為多用戶目標(biāo)服務(wù)的需求，是實(shí)現(xiàn)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)星間多目標(biāo)數(shù)據(jù)中繼的重要發(fā)展方向[5]。

美國(guó)第三代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(TDRS)從2013年開始陸續(xù)發(fā)射，其載有單址天線、S頻段多址相控陣天線、全向天線和Ku頻段星地鏈路天線等，其中多址相控陣天線可同時(shí)為多用戶目標(biāo)提供中繼服務(wù)。我國(guó)在2008年到2012年間，相繼發(fā)射了3顆天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)三星在軌組網(wǎng)工作，我國(guó)也成為繼美國(guó)之后第二個(gè)擁有全球覆蓋能力中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家。相比TDRS，天鏈一號(hào)衛(wèi)星缺少多址接入能力，為了進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的多目標(biāo)服務(wù)能力，滿足各類用戶對(duì)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的使用需求[6]，我國(guó)二代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)采用相控陣天線向用戶提供S頻段多址接入業(yè)務(wù)。本文所設(shè)計(jì)的雙波束發(fā)射鏈路應(yīng)用于二代中繼衛(wèi)星S頻段多址相控陣天線載荷，采用星上波束形成方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種S頻段雙波束16通道發(fā)射鏈路，具備良好的發(fā)射通道幅相一致性及優(yōu)異的波束指向切換性能，可實(shí)現(xiàn)2個(gè)獨(dú)立可控、實(shí)時(shí)掃描跟蹤的前向波束，為2個(gè)前向用戶同時(shí)提供遙控或數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

1 設(shè)計(jì)原理及要求

多址相控陣系統(tǒng)前向波束由星上射頻波束形成網(wǎng)絡(luò)形成，星上波控單元根據(jù)用戶的方位和離軸角進(jìn)行波束指向計(jì)算和修正，并進(jìn)行移相碼計(jì)算，通過改變移相器的控制代碼將波束中心瞄準(zhǔn)和跟蹤用戶。系統(tǒng)在軌自主工作時(shí)，前向射頻波束形成由星上獨(dú)立完成；地面注入工作時(shí)，則由地面、星上共同完成，其中地面負(fù)責(zé)用戶的軌道外推、用戶方位、離軸角和移相碼計(jì)算，星上僅負(fù)責(zé)實(shí)施移相。

二代中繼衛(wèi)星02星多址相控陣系統(tǒng)具備同時(shí)形成兩個(gè)前向波束的能力，可有效增加多址相控陣系統(tǒng)前向波束的可用資源，提升前向波束應(yīng)用的靈活性。根據(jù)此需求，相控陣前向波束的發(fā)射鏈路性能指標(biāo)如表1所示，其中，通道輸出功率和發(fā)射EIRP體現(xiàn)系統(tǒng)在通道與天線級(jí)聯(lián)前后的發(fā)射功率要求，幅相一致性和波束切換時(shí)間對(duì)相控陣的波束形成質(zhì)量及實(shí)時(shí)性起決定性作用。

表1 主要性能指標(biāo)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)任務(wù)需求，為了在有限的體積、功耗包絡(luò)范圍內(nèi)完成雙波束發(fā)射鏈路的設(shè)計(jì)，對(duì)發(fā)射鏈路的波束形成網(wǎng)絡(luò)采用高度集成化的設(shè)計(jì)，在每個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部集成了功分、數(shù)控衰減、移相、放大和控制信號(hào)接收等主要功能模塊。兩個(gè)獨(dú)立的波束形成網(wǎng)絡(luò)模塊完成波束形成后，其經(jīng)合路、固態(tài)功率放大、雙工器等最終輸出至天線單元，組成整個(gè)前向射頻鏈路，如圖1所示。

圖1 發(fā)射鏈路框圖

發(fā)射鏈路接收來自星上前向轉(zhuǎn)發(fā)器輸出的2個(gè)S頻段前向波束信號(hào)，分別功分為2個(gè)波束各16通道信號(hào)，由波控單元同時(shí)對(duì)這32通道進(jìn)行移相、衰減控制，并經(jīng)后級(jí)雙波束合成和功率放大后，由16個(gè)天線單元輻射至空間，形成2個(gè)波束。根據(jù)鏈路組成，對(duì)通道輸出功率指標(biāo)分解見表2，形成各功能模塊的鏈路設(shè)計(jì)依據(jù)。

表2 通道輸出功率預(yù)算表

根據(jù)上述鏈路設(shè)計(jì)狀態(tài)及要求，多址相控陣系統(tǒng)采用“前向空分+碼分”的技術(shù)體制的服務(wù)能力，單個(gè)波束最多支持4個(gè)1 kbit/s用戶、或2個(gè)2 kbit/s用戶、或1個(gè)4 kbit/s用戶這樣的通信方式，雙波束下還可通過前向功率分配功能，支持如1個(gè)1 kbit/s、1個(gè)4 kbit/s用戶同時(shí)服務(wù)的速率分配功能，為前向波束數(shù)傳提供靈活的應(yīng)用方式。

3 射頻鏈路與波束控制設(shè)計(jì)

3.1 射頻鏈路設(shè)計(jì)

由上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)與指標(biāo)分解可知，將射頻鏈路分解為獨(dú)立的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包含波束形成網(wǎng)絡(luò)、固態(tài)功率放大器、雙工器、天線單元、波束控制設(shè)備。

1)波束形成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

波束形成網(wǎng)絡(luò)是完成前向波束形成的主要功能模塊。如第2節(jié)中圖1所示，內(nèi)部射頻鏈路由四級(jí)一分二功分器組成的功分網(wǎng)絡(luò)、數(shù)控衰減器、移相器、放大器等部分組成，其單通道內(nèi)部的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 單通道設(shè)計(jì)框圖

通道衰減控制為5位并行TTL，衰減精度0.5 dB，可調(diào)范圍0～15.5 dB。通過控制衰減量的大小，可對(duì)雙波束工況下兩個(gè)波束的功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，以支持?jǐn)?shù)傳速率分配功能。移相碼為串行RS422差分信號(hào)，通過調(diào)整各通道相移量，為相控陣天線波束賦形提供相位改變量。系統(tǒng)相位標(biāo)校是基于整個(gè)射頻鏈路的，故標(biāo)校后的相位一致性(即各通道移相量的均方差)僅由移相器量化誤差和移相精度共同影響，將二者均方后得到相位一致性為±6.9°，如表3所示。

表3 相位一致性核算表

2)固態(tài)功率放大器

固放前端小信號(hào)段進(jìn)行增益放大、鏈路濾波等處理，在后端實(shí)現(xiàn)功率放大，達(dá)到9 W的射頻功率輸出能力，如圖3所示。為保證移相固放組件具備抗過激勵(lì)的能力，在末級(jí)功放前加入了耦合檢波及20 dB動(dòng)態(tài)范圍的自動(dòng)電平控制(ALC)電路，使固放具備了抗20 dB以上過激勵(lì)能力。前后端均采用單片式微波集成電路(MMIC)模塊設(shè)計(jì)，將除濾波外的所有信號(hào)處理功能都集成在兩個(gè)多芯片組件(MCM)中，實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。

圖3 固放設(shè)計(jì)框圖

3)雙工器設(shè)計(jì)

本相控陣系統(tǒng)的天線采用收發(fā)共用設(shè)計(jì)，在發(fā)射鏈路末端設(shè)計(jì)了雙工器，其具備一定的頻率選擇性，對(duì)前向發(fā)射信號(hào)與衛(wèi)星其它載荷發(fā)射信號(hào)提供充分的頻率抑制與隔離。雙工器采用同軸腔諧振器形式，具有損耗小、功率容量大、品質(zhì)因數(shù)(Q)值高等優(yōu)點(diǎn)[7]，其電路拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 雙工器拓補(bǔ)圖

經(jīng)過仿真得到雙工器傳輸特性曲線，如圖5所示。雙工器的收發(fā)損耗最大為0.5 dB，發(fā)射通道對(duì)接收頻帶的抑制為87.9 dB，接收通道對(duì)發(fā)射頻帶的抑制為89.6 dB，可有效保證雙工下的收發(fā)信號(hào)隔離。

圖5 雙工器仿真曲線

4)天線陣面設(shè)計(jì)

天線單元選用軸向模螺旋天線設(shè)計(jì)，單元增益12.5 dBi(±13°范圍內(nèi))，天線陣面采用三角形柵格的陣列布局，如圖6所示，陣面增益為24.0 dBi(±13°范圍內(nèi))。

圖6 天線陣面單元示意圖

根據(jù)通道輸出功率預(yù)算情況，對(duì)天線陣面的發(fā)射EIRP核算如表4所示。

表4 陣面發(fā)射EIRP預(yù)算表

3.2 波束控制設(shè)計(jì)

波束控制單元主要功能是接收數(shù)管計(jì)算機(jī)發(fā)送的工作模式及波束指向信息，解析、計(jì)算32路移相碼和衰減碼，按時(shí)序要求發(fā)送至波束形成網(wǎng)絡(luò)，并回傳數(shù)管計(jì)算機(jī)[8]。各通道的移相碼根據(jù)天線單元坐標(biāo)、波束指向俯仰及方位角計(jì)算得到。

在地面測(cè)試階段的校準(zhǔn)狀態(tài)下，采用逐通道遍歷法測(cè)得各通道的固有相位值[9]，并與第1通道的固有相位值相減，得到各通道與1通道的固有相位差Pcal_n。

設(shè)波束指向離軸角為θ、方位角為φ(單位為rad)，第1個(gè)天線的坐標(biāo)為原點(diǎn)，第n個(gè)天線單元的坐標(biāo)為(xn,yn)(單位為m)，波長(zhǎng)為λ(單位為m)，不考慮通道固有相位差的情況下，第n通道的移相角度Psft_n(單位為rad)為

yn×sinθ×cosφ)

(1)

五位移相器的移相步進(jìn)為11.25°，在考慮通道固有相位差后，此通道的移相碼為

(2)

式中：round(*)為取整函數(shù)。

基于相控陣天線的實(shí)時(shí)響應(yīng)特性，系統(tǒng)對(duì)波束切換時(shí)間有著較高的要求。波束切換時(shí)間指正常工作態(tài)時(shí)從RS422接口處接收用戶指向角開始到計(jì)算出移相碼的時(shí)間，主要由串口通信延遲時(shí)間、移相碼計(jì)算時(shí)間、移相器動(dòng)作時(shí)間3部分組成，分解如下。

(1)通信報(bào)文數(shù)據(jù)量為14 byte，串口通信速率為9600 bit/s，據(jù)此計(jì)算波束建立串口通信延遲為11.67 ms。

(2)移相碼計(jì)算算法采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，利用衛(wèi)星軌道仿真軟件模擬出數(shù)據(jù)，利用單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境平臺(tái)仿真單片機(jī)的處理過程，CPU的工作時(shí)鐘是11.059 2 MHz，程序區(qū)設(shè)計(jì)64 Kbyte。在上述環(huán)境條件下，得出資源需求如表5所示。

表5 CPU資源需求核算

(3)移相器動(dòng)作時(shí)間為納秒級(jí)，在計(jì)算中忽略。

因此可估算，此相控陣?yán)碚摬ㄊ袚Q時(shí)間約為11.67+58.59=70.26 ms，符合小于120 ms的要求。

4 測(cè)試驗(yàn)證情況

4.1 有線測(cè)試結(jié)果

在發(fā)射通道研制和總裝完成后，我們搭建了如圖7所示的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)鏈路各通道的有線性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)框圖

在通道輸出功率測(cè)試中，發(fā)射鏈路輸入信號(hào)采用兩臺(tái)信號(hào)源輸出兩個(gè)工作中心頻率左右各1 MHz的S頻段異頻信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試。如圖8所示，實(shí)測(cè)單個(gè)波束的各通道輸出功率最小值為38.77 dBm，各通道間輸出功率差優(yōu)于0.53 dB；雙波束工況下，各通道輸出功率最小值為33.83 dBm，各通道間輸出功率差優(yōu)于0.67 dB。

圖8 通道幅頻特性測(cè)試結(jié)果

通過矢網(wǎng)實(shí)測(cè)通道帶外抑制度為85.87 dB，反應(yīng)了雙工器發(fā)射頻帶對(duì)接收頻帶的抑制，接收頻帶經(jīng)抑制低于底噪，符合雙工器仿真特性。

發(fā)射鏈路相位一致性標(biāo)校反應(yīng)了系統(tǒng)的相位補(bǔ)償能力。在系統(tǒng)初始化(移相器全部置零位)后，逐通道進(jìn)行標(biāo)校前相位測(cè)試，并計(jì)算出各通道所需移相碼，采用測(cè)試控制計(jì)算機(jī)作為模擬數(shù)管計(jì)算機(jī)，通過422信號(hào)將移相碼注入，完成有線階段相位一致性標(biāo)校。標(biāo)校后的各通道相位一致性如圖9所示，波束1、2分別為9.4°和9.1°，符合設(shè)計(jì)預(yù)算。

圖9 相位一致性標(biāo)校結(jié)果

通過示波器實(shí)測(cè)從計(jì)算機(jī)發(fā)送指向角信息到移相器完成移相動(dòng)作這一過程的總時(shí)間約102 ms，如圖10所示，即為波束切換時(shí)間，優(yōu)于指標(biāo)120 ms的要求，略高于理論核算時(shí)間，經(jīng)分析，主要在于波束管理軟件在部分指向角計(jì)算時(shí)，其運(yùn)算時(shí)間略大于理論核算值。

圖10 波束切換時(shí)間測(cè)試結(jié)果

4.2 無線測(cè)試結(jié)果

在通道與天線集成后，在微波暗室對(duì)相控陣系統(tǒng)前向波束無線性能進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，系統(tǒng)連接框圖如圖11所示。

圖11 暗室波束性能測(cè)試框圖

暗室近場(chǎng)校正時(shí)，通過暗室測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)源發(fā)送點(diǎn)頻信號(hào)，由天線輻射，暗室探頭接收[10]，測(cè)量出通道間的相位一致性，作為近場(chǎng)校正數(shù)據(jù)，注入波控。測(cè)試時(shí)，通過模擬數(shù)管計(jì)算機(jī)注入波束指向角，由暗室測(cè)試系統(tǒng)注入單個(gè)波束的前向單載波信號(hào)(雙波束工況下由信號(hào)源注入另一波束信號(hào)，不對(duì)此波束做接收處理)，經(jīng)通道及天線發(fā)射，測(cè)試探頭接收信號(hào)，由暗室測(cè)試軟件得到波束寬度、指向精度等信息。表6和圖12為波束指向角(0°,0°)、(13°,270°)下的近場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與天線方向圖，波束指向精度優(yōu)于0.76°，雙波束下每個(gè)波束EIRP較單波束下降約4 dB，單波束及雙波束EIRP均符合鏈路核算預(yù)期。

圖12 實(shí)測(cè)波束二維方向圖(歸一化)

表6 波束測(cè)試結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證相控陣系統(tǒng)的目標(biāo)跟蹤能力，搭建了如圖13所示的目標(biāo)跟蹤驗(yàn)證系統(tǒng)，進(jìn)行開環(huán)跟蹤驗(yàn)證。通過機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)用戶運(yùn)動(dòng)模擬用戶在軌運(yùn)動(dòng)，采用模擬地面設(shè)備、模擬數(shù)管計(jì)算機(jī)控制發(fā)射鏈路進(jìn)行電掃跟蹤，通過誤碼率統(tǒng)計(jì)查看跟蹤效果。在驗(yàn)證過程中，當(dāng)用戶進(jìn)入俯仰13°范圍內(nèi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)用戶跟蹤，數(shù)據(jù)率為2 kbit/s，誤碼率為0。

圖13 波束跟蹤驗(yàn)證框圖

使用上述波束跟蹤驗(yàn)證系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)在不同用戶速率組合下的數(shù)傳性能進(jìn)行了連續(xù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表7所示，測(cè)試中誤碼率均為0，優(yōu)于10-7的中繼數(shù)傳誤碼率要求，為中繼衛(wèi)星數(shù)傳提供了高可靠性的應(yīng)用能力。

表7 數(shù)傳測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究設(shè)計(jì)的S頻段雙波束16通道發(fā)射鏈路，采用星上波束形成體制，實(shí)現(xiàn)了波束指向控制、功率放大、波束合成等功能，通道有線性能指標(biāo)與系統(tǒng)無線性能指標(biāo)均優(yōu)于預(yù)期，在無線最大掃描角下實(shí)測(cè)，單波束發(fā)射EIRP優(yōu)于43.87 dBW，雙波束同時(shí)工作時(shí)單個(gè)波束發(fā)射EIRP優(yōu)于39.89 dBW，波束指向精度優(yōu)于0.76°，并通過了對(duì)目標(biāo)跟蹤能力和數(shù)傳性能的模擬驗(yàn)證，為星載相控陣天線的實(shí)時(shí)星上波束形成提供了一種性能可靠的解決方案。應(yīng)用于二代中繼衛(wèi)星多址相控陣系統(tǒng)中，可有效滿足系統(tǒng)同時(shí)為多用戶目標(biāo)服務(wù)的能力發(fā)展需求，顯著提升了在軌衛(wèi)星及其他飛航用戶的管理能力。