陣列信號頻分復用毫米波傳輸技術

楊 萍,黃 建

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

陣列天線已經在各種無線電系統中得到了廣泛應用。一般系統中陣列天線和陣列信號處理都集成在一個設備內,天線陣元的信號到處理機之間只需傳輸有限距離。但在一些應用中,天線陣與處理機分別配置在不同地點,此時就需要將陣列信號遠距離傳輸到處理機。一個典型的例子是衛星或無人機上的陣列天線。為了盡量減小星上或機上設備復雜度、體積、重量和功耗,復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到地面站或進行相反方向傳輸,并盡量減少各路信號串擾和失真,保持收、發端各路信號之間相對的幅度、相位關系不變。

采用毫米波鏈路進行陣列信號傳輸具有明顯的優點,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;毫米波頻段設備具有體積小的優點,利于傳輸設備的輕小型化;毫米波鏈路可實現更高的鏈路增益,具有更好的傳輸質量。因此,毫米波鏈路是實現陣列信號大容量、低失真傳輸的主要手段之一。

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用、頻分復用、碼分復用等方式在一個信道上傳輸。信號頻分復用傳輸技術能充分利用毫米波信道大帶寬的優點,設備較簡單,傳輸失真小,信號干擾低,因而得到了廣泛的應用,特別是在衛星通信領域。

陣列信號頻分復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的信號互不干擾,應在各子信道之間設立隔離帶,這樣就保證了各路信號互不干擾。因此陣列信號頻分復用傳輸需要占用比較寬的帶寬。

目前,該技術已經在美國等西方國家的軍事衛星數據通信業務中得到了廣泛應用。美國的TDRSS[1]S頻段多址(SMA)業務就是該技術的典型應用。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。

本文提出一種陣列信號頻分復用毫米波鏈路設計方案,詳細介紹了陣列信號復用/解復用和傳輸的關鍵技術及其實驗結果。

2 傳輸鏈路總體設計

該傳輸鏈路的主要功能是實現衛星陣列天線信號在衛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、毫米波收發前端、30路頻分復用電路、12路解復用電路、S頻段雙工器和頻綜等,地面部分包括天線、Ka頻段雙工器、毫米波收發前端、30路解復用、12路頻分復用和頻綜等。

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用方式,將30路同頻信號復合至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(頻率解復用)后,下變頻到70MHz送多波束處理終端;同時,地面設備的12路信號經地面波束形成處理后,也采用頻分復用方式,將12路同頻信號復合至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用后,下變頻到S頻段,經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、質量、功耗及器件種類有較大減少,有源電路數量和種類大大減少,從而增加了電路的可靠性。因此,本文選用第二種方案。

3.2 幅相一致性設計

在FDM電路設計中,幅相一致性是一個非常重要的指標。因為通道間幅值和相位的不一致會嚴重影響陣列信號處理的性能,嚴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。在本次設計中采用的幅相一致性校準方法是:通過實驗測試各通道之間的幅相變化,并相應調整各通道數字移相器相位,然后在地面波束形成的加權系數中抵消其變化,可將各通道的幅相特性校正為一致,以滿足系統要求。

另外,為了達到多通道幅相一致性,在電路設計上還采取了以下措施:

(1)電氣、結構設計均要保證一致性和對稱性,一些環節預留調節裝置;

(2)為了實現多通道間的幅度平衡,首先要使單通道帶內有較高的平坦度,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行嚴格控制;微調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。合理設計屏蔽結構,空間隔離一般可達到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的。其中,濾波器是實現電路隔離度的關鍵部件。在本設計中,信道(中心頻率相隔7.5MHz,通道保護帶寬為小于2MHz,)間的隔離度要求大于35dB。

根據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、矩形系數高是其難點。在本次設計中,聲表濾波器偏離邊帶頻率1.5MHz抑制可達到30dB以上。考慮復用和解復用一個分路器和一個合成器及濾波器的效果,各復用通道隔離度可達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定性。

4 毫米波鏈路設計

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是把S頻段FDM信號上變頻到Ka頻段,并通過Ka頻段天線發送出去;把Ka頻段信號下變頻到S頻段,送給頻分解復用單元。

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前端為例進行說明。毫米波收發前端原理圖如圖3所示。

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

發射支路工作原理是:中頻信號經諧波混頻器上變頻到Ka頻段,再經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隔離器、低噪放、毫米波濾波器,再經下變頻器和中放輸出至解復用單元。

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

為達到良好的噪聲系數,對波導微帶探針過渡進行優化設計[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為2dB,增益為20dB,最后測試得到的接收機噪聲系數為2.3dB。

接收機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。經測試,濾波器帶內平坦度及阻帶抑制較好,對鏡頻抑制大于40dB,通帶內插損為2～3dB。

4.2 幅頻特性

毫米波信道的帶內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償來改善帶內增益平坦度;

(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 群時延電路設計

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

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,其群時延指標通常是皮秒量級[5],對系統群時延貢獻很小。而濾波器是系統中頻響最窄的部分,所以往往是鏈路中最窄帶的濾波器限制了系統的群時延。在本設計中,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只能達到30 ns,這顯然不能滿足系統設計要求,所以需要對群時延進行補償。

群時延補償可以在中頻實現,也可以在基帶實現。在中頻實現的缺點是需要引入一個新的中頻設備,這大大增加了地面接收系統的成本和復雜度[6],是不現實的,因此需要在基帶上進行群時延補償。

另一方面,可通過提高聲表濾波器設計和制造工藝水平來提高群時延指標一致性,改善各路信號群時延誤差。

6 實驗結果

根據以上設計方案,研制出了一套設備,圖4為樣品實物圖。其測試結果為: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 論

本文介紹了一種陣列信號頻分復用毫米波傳輸技術,論述了頻分復用和毫米波鏈路設計的關鍵技術,通過樣機研制和測試,表明技術方案可行,性能指標滿足陣列信號傳輸要求。該技術方案和關鍵技術可以應用到多路陣列信號的毫米波傳輸中。

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