楊海峰,仇三山,柴 霖,李 婷,肖小兵,劉 田

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

0 引 言

隨著我國航天技術的快速發(fā)展,我國在軌穩(wěn)定運行的300 kg以上的衛(wèi)星有300余顆,衛(wèi)星觀測、通信等任務以及大規(guī)模星座應用要求的工作頻率、工作帶寬、傳輸速率與目標數(shù)也隨之提升,數(shù)傳速率向Gb/s發(fā)展,工作頻段由X頻段逐漸過渡至Ka頻段,需要建設更大的天線口徑、更高工作頻段、更寬的瞬時帶寬的同時多目標相控陣接收地面系統(tǒng)以適應未來航天任務需求[1-3]。

然而,傳統(tǒng)的基于移相器的相控陣天線存在色散效應和孔徑渡越效應問題,有限帶寬制約了系統(tǒng)傳輸速率進一步提升,且難以實現(xiàn)大規(guī)模陣列天線高瞬時帶寬下的波束精確指向,降低接收功率將導 致數(shù)據(jù)接收解調(diào)失效[4-8]?；谖⒉ü庾蛹夹g在每個陣元上采用基于低損耗光延遲線的光控波束形成方法可以解決這一問題,但由于其高硬件復雜度與較低的經(jīng)濟可行性,構(gòu)建大規(guī)模相控陣光波束形成網(wǎng)絡仍然具有相當大的挑戰(zhàn)性,成為研究熱點[9-12]。文獻[13]針對Ka頻段8陣元規(guī)模單發(fā)射波束的應用,采用光子微環(huán)諧振器實現(xiàn)了7 b光時延控制。由于諧振效應,諧振波長附近的光信號將被延遲,但工作帶寬有限,且在延遲量和延遲帶寬之間也存在折衷。文獻[14]提出了一種基于波分復用的光控多波束形成架構(gòu),通過光時引入可調(diào)諧時延信號,通過4陣元形成兩個接收波束,在15 GHz工作頻率與1 GBd的符號速率條件下達到QPSK、QAM體制解調(diào)誤碼率1×10-3的性能。文獻[15]針對5G毫米波應用,利用光程切換技術,在4×1陣列規(guī)模下實現(xiàn)光控波束形成,延遲線能夠以1.6 ps的分辨率離散地調(diào)諧元件之間的延遲差,最大延遲為49.6 ps。光程切換技術結(jié)構(gòu)相對簡單,但存在使用器件多和性能受開關指標限制的問題。

上述文獻盡管對光波束形成方式作了較深入的分析,但大多關注于單體器件、小規(guī)模陣列、單波束形成以及特定場景的應用研究,且對聯(lián)合數(shù)據(jù)接收的系統(tǒng)工作相對較少。本文基于微波光子技術,采用“陣元移相+子陣真時延”光電協(xié)同方法,即陣元使用電移相器和子陣使用光學真時延,實現(xiàn)Ka頻段相控陣天線的寬帶瞬時信號接收與波束形成,保持性能的同時降低了系統(tǒng)復雜度;研制了原理樣機,實驗室條件下驗證了同時8個光電混合波束形成的能力,并接入解調(diào)器進行高速數(shù)傳數(shù)據(jù)接收的性能驗證,結(jié)果證明該光電混合波束形成方案提升了天線的瞬時帶寬,并具有良好的工程實現(xiàn)性。

1 微波光子多目標系統(tǒng)設計

1.1 總體設計

本系統(tǒng)主要針對高速數(shù)據(jù)接收需求,在接收方面,以形成1個獨立波束為例,可以通過將每個單陣元的接收信號分路成8路,每一路按照不同指向計算出的權值進行移相,后端將對應指向的信號流分別合成,形成8個獨立波束,邏輯信號流如圖1所示。以此類推,在N倍于單波束資源的基礎上可獲得N個全增益獨立波束,為未來形成更多波束數(shù)提供了基于基本單元的可擴展架構(gòu)支撐。

圖1 單波束形成原理

對于由圖1組成的移相+子陣延遲的混合波束形成架構(gòu),假設總陣元數(shù)為M個獨立陣元,可分為P個子陣,其中每個子陣內(nèi)的陣元數(shù)為R=M/P,該架構(gòu)的陣列整體接收方向圖可由下式表示[16]:

(1)

由式(1)可以看出,采用陣元移相與子陣光時延的混合波束形成架構(gòu)中,接收波束的方向圖為陣元因子、子陣因子和子陣方向圖的共同作用,式中前兩項代表子陣的方向圖,由于陣元移相器的存在,會隨工作頻率而變化,但子陣因子的指向通過光時延實現(xiàn),由第三項可以看出與頻率無關,整個陣列的波束指向的偏移現(xiàn)象在高工作頻率、高寬帶下將得到改善。根據(jù)式(1),總陣元數(shù)為256,劃分為4個子陣,陣元間距取半波長,指向角分別為30°與40°時,瞬時工作帶寬在500 MHz、1 000 MHz、2 000 MHz的方向圖如圖2所示,相同頻率不同帶寬的射頻信號通過子陣內(nèi)移相與子陣間光時延兩級波束形成方法生成的方向圖,具有較好的波束偏斜抑制能力,波束偏移約3.2%;隨著掃描角增大,增益波動在1.2 dB以內(nèi)。

如圖3所示,基于微波光子的高速數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)由天線陣面、射頻接收組件、光波束形成網(wǎng)絡、波束控制模塊、綜合信號處理模塊組成。天線陣面與接收組件通過SMA連接器實現(xiàn)盲插互連,進行射頻信號傳輸;光控波束形成網(wǎng)絡通過同軸電纜接收來自射頻接收組件的射頻信號,將射頻信號調(diào)制在光頻段,在光域進行波束形成處理,并向綜合信號處理模塊輸出多個射頻波束;綜合信號處理模塊通過SMA接口與光控波束形成網(wǎng)絡互連,進行信號交互;波束控制系統(tǒng)通過LVDS并行總線向接收組件與光控波束形成網(wǎng)絡發(fā)送控制命令。

圖3 基于微波光子的高速數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)組成

在需要對目標航天器進行數(shù)據(jù)接收時,多個目標航天器轉(zhuǎn)發(fā)的下行信號經(jīng)天線陣元接收,通過接收組件預處理輸出子陣級射頻波束信號;子陣級射頻波束信號通過光電變換后,由光延遲移相波束形成網(wǎng)絡完成微波信號在光域的延遲移相和信號分配/疊加,形成多波束,實現(xiàn)空間波束掃描;形成的波束送綜合信號處理模塊經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,完成相應數(shù)傳模式的數(shù)據(jù)處理,得到對應的數(shù)傳數(shù)據(jù),同時通過數(shù)據(jù)傳輸計算機進行存儲,并可進行事后回放。

天線陣面由多個四邊形子陣構(gòu)成,四邊形子陣由多個天線陣元組成,每個陣元覆蓋接收頻率,用于接收空間輻射的電磁波,并將其轉(zhuǎn)化成高頻電信號。接收組件對每個天線陣元接收到的信號分別進行低噪聲放大、移相與合路處理后,形成子陣級射頻波束信號,將形成的多個子陣級射頻波束信號送入光波束形成網(wǎng)絡。四邊形子陣與接收組件通過SMA盲插連接器進行連接,形成集成化公共子陣前端單元,可通過擴展與拼接,靈活構(gòu)建可擴展的寬角二維掃描共形相控陣。

光控波束形成網(wǎng)絡接收上一級接收組件輸出的多個子陣級射頻波束信號,將射頻波束信號通過電光變換后,形成光波束信號,由光延遲移相波束形成網(wǎng)絡完成射頻信號在光域的延遲移相和信號分配與疊加合成,形成光域多波束信號,實現(xiàn)空間波束掃描。

波束控制模塊用于計算飛行器的角度信息,還用于向射頻接收組件與光控波束形成網(wǎng)絡發(fā)送控制命令,控制命令包含同時形成的多個波束指向信息,使形成的子陣級波束信號與光波束信號實時指向飛行器的角度。

綜合信號處理模塊與光控波束形成網(wǎng)絡互連,將接收到的若干個光域波束信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后形成若干個對應的目標射頻波束信號并將其送入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。目標射頻波束信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行采樣后得到對應數(shù)量的數(shù)字波束信號,將對應數(shù)量的數(shù)字波束信號進行解調(diào)處理,最終得到多個高速數(shù)傳數(shù)據(jù),并將其送入監(jiān)控分系統(tǒng)。

1.2 天線前端設計

單個Ka頻段天線陣面子陣包含64個陣元,每個天線陣元接收的信號先要完成低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)放大,然后通過1分8路功分,分成8個子通道射頻信號,并對每個子通道信號進行獨立移相處理;多波束合成網(wǎng)絡實現(xiàn)對64個陣元對應的相同編號的子通道信號進行64合1;最終多波束相控陣天線共形成8路子陣合成信號輸出至下變頻模塊處理后,形成8路中頻輸出至光波束形成網(wǎng)絡。

陣元間的相對位置對整個系統(tǒng)的性能有很大的影響。陣元間相對距離的選取應考慮各天線方向圖之間的耦合效應,當陣元間距過小時則會出現(xiàn)嚴重的互耦現(xiàn)象,使陣列合成方向圖主瓣波束變寬、旁瓣幅度增加等問題,降低了陣列的性能,而當間距過大時則會產(chǎn)生柵瓣。為了避免柵瓣出現(xiàn),陣元間距應滿足

(2)

式中:λ為工作波長;θm為最大掃描角。

陣列掃描范圍為±40°,綜合考慮陣面尺寸、主瓣增益、互耦等因素,綜合設計天線陣元間距為6 mm。對12×12陣列進行稀疏設計,在保證主瓣增益、掃描范圍等性能的同時降低了系統(tǒng)復雜度。稀疏布陣后的輻射陣面為8×8規(guī)模的陣列,如圖4所示。

圖4 單個Ka頻段天線陣面稀疏布陣圖

1.3 光波束形成網(wǎng)絡設計

光波束形成網(wǎng)絡采用模塊化設計,每個獨立的光波束形成網(wǎng)絡可接收4個子陣級射頻波束信號。在原理結(jié)構(gòu)上,本方案可以實現(xiàn)任意目標數(shù)量的光波束形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。對子陣級射頻波束信號進行編號,編號特征為子陣數(shù)為N,最終形成的波束總數(shù)量為M,則子陣級射頻波束信號N_M代表子陣N中的第M個波束,并按照ITU標準為其分配指定的不同的光波長加以區(qū)分;當子陣數(shù)N、波束總數(shù)量M擴展時,通過擴展獨立的光波束形成網(wǎng)絡數(shù)量即可實現(xiàn)任意目標數(shù)量的設備擴展。光波束形成網(wǎng)絡接收4組共32個子陣級射頻波束信號;將子陣級射頻波束信號饋送至電光調(diào)制器,每個獨立的光波束形成網(wǎng)絡將對應的4個子陣級射頻波束信號調(diào)制在不同的光波長中得到8個子陣級初級光波束信號;8個獨立的光波束形成網(wǎng)絡通過光波導與光功率調(diào)節(jié)器分別對每路子陣級初級光波束信號進行多字節(jié)延時調(diào)節(jié)以及幅度加權控制,得到子陣級時延光波束信號,然后4個獨立光波束形成網(wǎng)絡通過8個光功率合成器對4個子陣中每路子陣級時延光波束信號中編號M值相同的子陣級時延光波束信號進行相加,形成8個光域波束信號。每個光域波束信號同時對應了8個光波長的所有子陣的射頻信號,即實現(xiàn)了8個波束的獨立合成。

光實時可變延遲線器件采用二進制5 b延遲線多級串接的差分結(jié)構(gòu)。在串接的結(jié)構(gòu)中,光信號由6個2×2光開關選擇性地以延時差分方式實現(xiàn)32段光支路,其每段光程可以按最小光延時2的指數(shù)冪倍數(shù)增加。如設光程延遲量最小可調(diào)延時為ΔT,則N字節(jié)延遲線結(jié)構(gòu)最大可調(diào)延遲為

Tmax=(20+21+22+… 2N-1)ΔT=

(2N-1)ΔT=31ΔT。

(3)

圖5為光延遲與功率加權模塊的結(jié)構(gòu)設計,每個模塊有兩輸入光路,分別對應每個光載入模塊的兩路光輸出。將每個輸入光路按目標波束數(shù)量均分光功率,在每條支路上布置多字節(jié)的光延遲線與光功率加權器件,整個模塊結(jié)構(gòu)集中進行光開關狀態(tài)的控制以控制各支路的時間延遲量。這種與波長無關的結(jié)構(gòu)化設計便于維護與管理。

圖5 光波束形成網(wǎng)絡組成

光波束合成經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后得到與輸入波束頻率相同的微波信號,需經(jīng)外差下變頻到基帶并經(jīng)波束中頻處理模塊后才能被后端數(shù)字系統(tǒng)高精度采樣。圖6為波束中頻處理模塊的系統(tǒng)設計,對應于4個子陣的相同波束信號經(jīng)光合成后被光探測器轉(zhuǎn)換接收,經(jīng)過低噪聲放大器以補償微波光子鏈路射頻插入損耗后輸入到混頻器,由參考晶振鎖定壓控振蕩得到本振信號;本振信號經(jīng)過放大后輸入到混頻器本振端口,由混頻器輸出的中頻端口信號經(jīng)過低通濾波、中頻放大以及高通濾波后得到基帶信號。對于信道頻率范圍6～8.5 GHz的微波波束信號,通過調(diào)節(jié)本振信號頻率使得中頻基帶固定在1.2 GHz。光波束形成網(wǎng)絡組成如圖7所示。

圖6 中頻處理模塊原理

圖7 光波束形成網(wǎng)絡組成

2 原理樣機測試與結(jié)果分析

2.1 測試環(huán)境建立

測試環(huán)境鏈接關系框圖如圖8所示,測試環(huán)境硬件包含基于微波光子的高速數(shù)據(jù)接收原理樣機與陪試設備:陪試設備由帶調(diào)制功能的聯(lián)試信號發(fā)生器(含30 cm口徑Ka頻段寬帶波紋喇叭天線)、矢量網(wǎng)絡分析儀HP8753D1、頻譜儀AV4036E組成;基于微波光子的高速數(shù)據(jù)接收原理樣機由4個64陣元的天線子陣、射頻接收組件、光波束形成網(wǎng)絡以及帶高速數(shù)傳解調(diào)功能的綜合信號處理模塊組成。

圖8 原理樣機測試環(huán)境組成

在微波暗室中,形成0°、10°、20°、30°、40°與50° 6個波束信號,通過矢量網(wǎng)絡分析儀可讀取光波束形成信號,驗證射頻子陣與光波束形成網(wǎng)絡。天線單元與光波束形成網(wǎng)絡單元原理樣機實物如圖9所示。

圖9 天線單元與光波束形成網(wǎng)絡單元原理樣機實物

在系統(tǒng)級高速數(shù)傳驗證方面,采用QPSK調(diào)制體制,工作在25.35～27.1 GHz頻段下。聯(lián)試信號發(fā)生器中的FPGA產(chǎn)生高速原始測試數(shù)據(jù),經(jīng)7/8 LDPC編碼,由口徑為30 cm的Ka頻段寬帶波紋喇叭天線發(fā)出射頻信號;射頻信號經(jīng)無線信道傳輸至原理樣機天線子陣后送入射頻接收組件,進行第一級變頻與放大,生成頻率范圍為6～8.5 GHz的微波波束信號,隨即將其送入光波束形成網(wǎng)絡;光波束形成網(wǎng)絡將微波波束信號加載在光載波上,經(jīng)疊加生成多個光波束后轉(zhuǎn)換為電信號,送入綜合信號處理模塊;通過調(diào)節(jié)本振信號頻率獲得中頻固定在1.2±0.75 GHz帶寬的基帶信號,高速A/D將其轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號,在綜合信號處理模塊中的FPGA進行數(shù)字解調(diào),通過讀取頻譜儀數(shù)據(jù),可得到解調(diào)后的高速數(shù)傳數(shù)據(jù)的星座圖、誤碼率及誤差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)等信息,評估數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)質(zhì)量。

2.2 實驗結(jié)果及分析

利用圖8所示的原理樣機進行室內(nèi)無線信道下的實驗,對子陣接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)G/T值、方向圖、數(shù)據(jù)傳輸率、誤碼率、EVM指標進行了測試。

在暗室,通過公式(4)計算,與標準喇叭天線對比,得出子陣G/T值,結(jié)果如表1所示。

G/T=(P3-φ0)-(P1-G1-L1)+K。

(4)

式中:P3為信號功率;φ0為噪聲;P1為標準喇叭功率;L1為鏈路增益;G1為標準喇叭增益。

表1 單個子陣天線G/T值測試表

單個子陣測試G/T值最低為-18.7 dB/K,可計算出4子陣為-18.7+10lg 4=-12.68 dB/K。

如圖10所示,由測試結(jié)果可以看出,在25.35 GHz與27.1 GHz頻率下,形成0°、10°、20°、30°、40°與50° 6個波束信號的波束指向性較好,主瓣波束寬度隨掃描角增大而有一定發(fā)散,增益波動在2 dB內(nèi),驗證了子陣級真延時波束形成對色散效應的克服能力;27.1 GHz工作頻點下增益較25.25 GHz增益高1～3 dB,符合理論預期;在旁瓣方面,第一副瓣比主瓣電平低12 dB。

圖10 在25.35 GHz與27.1 GHz中心頻率波束形成方向圖(Phi=90°,Theta=0°,10°,20°,30°,40°,50°)

如圖11所示,綜合處理模塊解調(diào)后的QPSK數(shù)傳接收速率達1.5 Gb/s,誤碼率≤1×10-7,EVM指標優(yōu)于3%,驗證了所提出的用于多目標寬帶數(shù)據(jù)接收的光電混合波束形成架構(gòu)的潛力。

圖11 高速數(shù)據(jù)接收測試(1.2 GHz中頻,750 Msymbol/s符號速率,QPSK解調(diào))

如表2所示,與文獻[14]的結(jié)果相比,本文所提方法充分考慮了大規(guī)模接收陣列的實現(xiàn)性,利用“陣元移相+子陣真時延”實現(xiàn)了寬帶高速數(shù)據(jù)的接收,在陣列規(guī)模與誤碼率方面具有一定優(yōu)勢。

表2 本文所提方法與同類技術性能對比

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)相控陣天線由于色散效應和孔徑渡越效應的存在,本質(zhì)上是一種窄帶系統(tǒng)。本文采用基于微波光子的“陣元移相+子陣真時延”光電協(xié)同多波束形成方法提升瞬時帶寬,利用光學真延時技術設計了Ka頻段8通道二維掃描光電混合波束形成系統(tǒng),并通過稀疏設計將12×12陣列優(yōu)化為8×8規(guī)模的陣列,進一步降低了系統(tǒng)復雜度。對研制的256陣元4子陣規(guī)模的高速數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)原理樣機在25.35～27.1 GHz工作頻段無線信道條件下進行的測試結(jié)果表明,陣列掃描范圍為±40°,可同時形成8個波束,QPSK數(shù)傳接收速率達1.5 Gb/s,誤碼率≤1×10-7,EVM指標優(yōu)于3%,并且可在數(shù)字處理時靈活進行抗干擾等處理手段壓低旁瓣,提升抗干擾能力。

本文所提方法原理具有通用性,應用場景主要針對大規(guī)模地面系統(tǒng)。當應用場景為機械、電氣、熱控及空間受限等動平臺時,需進一步提高集成度并降低損耗,因此后續(xù)研究可從以下方面進行:研究微波光子片上集成技術,將低噪放、光控波束形成網(wǎng)絡集成在片上,進一步提高集成度;開展異質(zhì)/異構(gòu)材料工藝集成技術研究,進一步降低鏈路損耗,提升工作效率。