基于陣列信號處理的一體化模塊設計

張濤，龐鵬翔，董加偉

（1.天津大學電子信息學院，天津300072；2.天津津航計算技術研究所，天津300308）

基于陣列信號處理的一體化模塊設計

張濤1，2，龐鵬翔2，董加偉2

（1.天津大學電子信息學院，天津300072；2.天津津航計算技術研究所，天津300308）

當今通信設備飛速發展，但由于頻譜資源的限制，通信設備之間的互擾問題越來越嚴重。為了解決這一日益突出的問題，對陣列信號處理技術進行了研究。陣列信號處理技術是利用多個天線采用空時濾波的手段消除干擾信號。本文研究了針對陣列信號處理技術的一體化模塊的設計，根據陣列信號處理的需求完成了天線和射頻部分的制作，并進行了測試。天線單元實現軸比3 dB的仰角范圍是±60°，軸比6 dB的仰角范圍為±77°；3 dB軸比帶寬為20 MHz，6 dB軸比帶寬在40 MHz以上。射頻單元采用多通道一體化設計，經測試該模塊幅度誤差＜1 dB，相位誤差＜2°。并對此模塊進行了半實物仿真，其濾波效果優于60 dBc。

陣列信號處理；軸比；幅度誤差；相位誤差

0 引言

在通信設備飛速發展的今天，通信設備在更加復雜的電磁環境中工作，它們之間的干擾也越發的嚴重。通信設備的抗干擾技術成為關鍵技術之一。

通信設備的抗干擾體制分為擴譜通信抗干擾技術和非擴譜通信抗干擾技術。這兩種通信技術在現今通信系統中均普遍存在，因此需要一種可以適應兩種體制的抗干擾方法。陣列信號處理技術在不需要獲得干擾和信號方位信息的條件下采用自適應濾波技術實現抑制干擾，是一種十分有效的手段。本文對陣列信號處理技術中的天線和射頻模塊的設計技術進行了研究。

1 原理與設計

陣列信號處理技術是一種采用多天線自適應調零的技術。利用不同位置的天線對干擾信號進行估計，采用空時濾波技術對干擾信號進行消除。空時信號濾波技術主要利用接收到的多路信號的幅相信息進行估計，因此對無線信道的各個通道的信號幅相特性提出了較高的要求[1]。

1.1 天線設計

根據需求，所采用的天線為天線陣列，在天線設計時需要充分考慮天線單元之間的互耦問題[2-3]。天線陣列結構示意圖如圖1所示。

圖1 天線陣列示意圖

此天線陣列共有7個天線單元，其中中間的天線單元為發射天線，周圍6個為接收天線。根據此布局對天線特性進行了仿真。天線的介質板是Taconic生產的TRF-43介質板，厚度為64 mil，即1.63 mm，介電常數為4.3，覆銅厚度為1 oz/ft2。同軸連接器為50ΩSMA連接器，直徑為200 mm，輻射貼片邊長為28 mm，接地板邊長為40 mm，饋電點的位置距離相應接地板中心6 mm，切角大小為3.0 mm和3.1 mm，周圍天線單元距離中心天線單元的尺寸為半波長。

1.2 射頻多通道模塊設計

射頻多通道模塊包括六路接收、一路發射和基帶數字處理的多功能模塊。根據指標需求，要求接收通道的幅度誤差＜1 dB，相位誤差＜2°。發射通道的發射功率為20 dBm。

射頻多通道模塊的發射通道采用直接上變頻形式對基帶信號進行上變頻。由FPGA輸出的I、Q信號通過D/A輸出送入正交上變頻器，正交上變頻器直接把信號變頻至所需要的射頻頻率上，通過SMA接口送到發射天線。發射通道的原理框圖如圖2所示。

圖2 發射通道原理框圖

射頻接收通道采用超外差接收機架構，射頻通道與基帶處理部分為70 MHz標準中頻接口。六路接收通道的AGC控制電平由FPGA采用統一電平控制。單一接收通道的原理框圖如圖3所示。要想達到最佳的濾波效果，陣列天線的不同通道之間必須保持嚴格的一致性。六路接收通道為相干通道，六路采用同一的本振信號，以保證六路之間的相位特性一致。同時設計過程中加入了多個幅相調節網絡，射頻幅相調節網絡的設計是電路設計的難點和重點，需要在保證各個通道幅相調節網絡一致性的同時，保證在單獨調諧幅度或相位的過程中不會導致另一個不希望變化的變量發生變化。

多通道射頻模塊關鍵組件為相干本振組件，根據整機的指標分解，要求本振的相噪指標為：-70 dBc@100 Hz，

圖3 單一接收通道原理框圖

-80 dBc@1 kHz，-90 dBc@10 kHz。相干本振源采用PE3336作為主要芯片進行電路設計。參考源的選擇主要基于電路設計的指標要求，由于環路濾波器的作用，參考源會影響到頻率綜合器的近端的相位噪聲，在本設計中選用溫補晶振，溫補晶振具有輸出頻率不隨溫度變化的特點，在環境溫度變化的情況下參考源的性能基本不變，可以滿足不同環境條件下的使用要求[4]。環路濾波器是PLL頻率合成器的重要部件，其設計直接影響到鎖相環路的相位噪聲、鎖定時間、環路穩定性。根據芯片的鑒相器的形式，這里選擇有源比例積分濾波器作為環路濾波器。根據鎖相環路的基本理論[5]可知，二階環是絕對穩定的，所以采用二階有源比例積分濾波器，濾波器的電路圖如圖4所示。

圖4 二階有源比例積分濾波器電路圖

2 試驗測試

通過仿真計算對天線陣列進行了實際的制作，如圖5所示。天線的方向圖和駐波圖的仿真結果如圖6所示。

圖5 天線實物照片

圖6 駐波和方向圖仿真結果

射頻多通道模塊的設計中，采用一塊多層印制板對6個接收通道和1個發射通道，以及相干本振進行了集成，對關鍵位置采用了鍍銀屏蔽罩進行屏蔽，模塊實物圖如圖7所示。

圖7 射頻多通道模塊實物照片

對頻率合成器的指標進行了測試。本振的相位噪聲的實測值為-61 dBc@100Hz，-80 dBc@1 kHz，-85 dBc@10 kHz，實測結果與估算值相當，如圖8所示。

圖8 本振相位噪聲測試曲線

3 系統測試

對天線射頻一體化模塊進行了測試，將測試結果進行了半實物的仿真，仿真結果如圖9所示。

圖9 對四個不同方向干擾的仿真方向圖

干擾信號分別從方位角和俯仰角為（40°，-50°）、（50°，40°）、（130°，-60°）、（140°，50°）入射，從圖9可以看出陷波效果優于60 dBc。

4 結論

本文對陣列信號處理中的天線射頻模塊的一體化設計進行了詳細論述，并制作了相應的天線、射頻模塊，并對制作的模塊進行了測試，根據測試結果進行了半實物仿真，對系統的性能進行了驗證，在無其他輔助手段的情況下，天線陣列的濾波效果優于60 dBc。

[1]龔耀寰.自適應濾波——時域自適應濾波和智能天線[M].北京：電子工業出版社，2003.

[2]Sun Jiawen，Chen Wenhua，Wang Xin，et al.Realization and measurement of planar switchable antenna system[C]. Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference，2006：3375-3380.

[3]MIGLIORE M D，PINCHERA D，SCHETTINO F.A simple and robust adaptive parasitic antenna[J].IEEE Trans. Antennas Propag.，2005，53（10）：3262-3272.

[4]白居憲.低噪聲頻率合成[M].西安：西安交通大學出版社，1994.

[5]張厥盛，鄭繼禹，萬心平.鎖相技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

Design of a novel array antenna signal processing unit

Zhang Tao1，2，Pang Pengxiang2，Dong Jiawei2
（1.School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Jinhang Institute of Computing Technology，Tianjin 300308，China）

Communication equipment developed very fast nowadays.Because of the limitation of frequency spectrum，the interference between the different communication equipments became a serious problem.Array antenna signal processing uses the multi-antenna filtering technology to eliminate the interference signal.A novel array antenna signal processing unit is designed in this paper.An antenna and the RF circuits are fabricated and tested.The axial ratio of the antenna unit is 3 dB in±60°elevation，and 6 dB in±77°elevation.The bandwidth is 20MHz when the axial ratio is equal to 3 dB.The bandwidth is 40MHz when the axial ratio is equal to 6 dB.The RF circuits are multi-band circuits.The result of the RF circuits test is the amplitude error＜1 dB and the phase error＜2°.The simulation is made with the array antenna signal processing unit and the filtering effect is better than 60 dBc.

array antenna signal processing；axial ratio；amplitude error；phase error

TN973

A

1674-7720（2015）09-0059-03

2014-12-03）

張濤（1981-），男，博士研究生，工程師，主要研究方向：抗干擾通信技術。

龐鵬翔（1981-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：數字信號處理。

董加偉（1983-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：天線技術。