S頻段星載相控陣雙波束發射鏈路載荷設計與實現

余鵬程 葛楓 吳瑞榮 陳小群

(1 中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)(2 中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部，北京 100094)

在衛星通信系統中，由于高等效全向輻射功率(EIRP)、頻率復用、大功率合成、干擾抑制等要求，多波束天線已在國內外新一代通信衛星中普遍采用[1-3]。相比機械掃描反射面天線，多波束相控陣天線系統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，以達到波束掃描的目的，也可以通過加權優化控制副瓣電平、零點值位置等參數[4]。具有高增益、高指向精度、高可靠性、實時響應、靈活性強等特點，能很好地滿足中繼衛星系統同時為多用戶目標服務的需求，是實現中繼衛星系統星間多目標數據中繼的重要發展方向[5]。

美國第三代跟蹤與數據中繼衛星(TDRS)從2013年開始陸續發射，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為多用戶目標提供中繼服務。我國在2008年到2012年間，相繼發射了3顆天鏈一號中繼衛星，實現三星在軌組網工作，我國也成為繼美國之后第二個擁有全球覆蓋能力中繼衛星系統的國家。相比TDRS，天鏈一號衛星缺少多址接入能力，為了進一步增強我國中繼衛星系統的多目標服務能力，滿足各類用戶對中繼衛星系統的使用需求[6]，我國二代中繼衛星系統采用相控陣天線向用戶提供S頻段多址接入業務。本文所設計的雙波束發射鏈路應用于二代中繼衛星S頻段多址相控陣天線載荷，采用星上波束形成方案，設計并實現了一種S頻段雙波束16通道發射鏈路，具備良好的發射通道幅相一致性及優異的波束指向切換性能，可實現2個獨立可控、實時掃描跟蹤的前向波束，為2個前向用戶同時提供遙控或數據傳輸服務。

1 設計原理及要求

多址相控陣系統前向波束由星上射頻波束形成網絡形成，星上波控單元根據用戶的方位和離軸角進行波束指向計算和修正，并進行移相碼計算，通過改變移相器的控制代碼將波束中心瞄準和跟蹤用戶。系統在軌自主工作時，前向射頻波束形成由星上獨立完成；地面注入工作時，則由地面、星上共同完成，其中地面負責用戶的軌道外推、用戶方位、離軸角和移相碼計算，星上僅負責實施移相。

二代中繼衛星02星多址相控陣系統具備同時形成兩個前向波束的能力，可有效增加多址相控陣系統前向波束的可用資源，提升前向波束應用的靈活性。根據此需求，相控陣前向波束的發射鏈路性能指標如表1所示，其中，通道輸出功率和發射EIRP體現系統在通道與天線級聯前后的發射功率要求，幅相一致性和波束切換時間對相控陣的波束形成質量及實時性起決定性作用。

表1 主要性能指標

2 系統設計

根據任務需求，為了在有限的體積、功耗包絡范圍內完成雙波束發射鏈路的設計，對發射鏈路的波束形成網絡采用高度集成化的設計，在每個波束形成網絡內部集成了功分、數控衰減、移相、放大和控制信號接收等主要功能模塊。兩個獨立的波束形成網絡模塊完成波束形成后，其經合路、固態功率放大、雙工器等最終輸出至天線單元，組成整個前向射頻鏈路，如圖1所示。

圖1 發射鏈路框圖

發射鏈路接收來自星上前向轉發器輸出的2個S頻段前向波束信號，分別功分為2個波束各16通道信號，由波控單元同時對這32通道進行移相、衰減控制，并經后級雙波束合成和功率放大后，由16個天線單元輻射至空間，形成2個波束。根據鏈路組成，對通道輸出功率指標分解見表2，形成各功能模塊的鏈路設計依據。

表2 通道輸出功率預算表

根據上述鏈路設計狀態及要求，多址相控陣系統采用“前向空分+碼分”的技術體制的服務能力，單個波束最多支持4個1 kbit/s用戶、或2個2 kbit/s用戶、或1個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1 kbit/s、1個4 kbit/s用戶同時服務的速率分配功能，為前向波束數傳提供靈活的應用方式。

3 射頻鏈路與波束控制設計

3.1 射頻鏈路設計

由上述系統設計與指標分解可知，將射頻鏈路分解為獨立的功能模塊進行設計，主要包含波束形成網絡、固態功率放大器、雙工器、天線單元、波束控制設備。

1)波束形成網絡設計

波束形成網絡是完成前向波束形成的主要功能模塊。如第2節中圖1所示，內部射頻鏈路由四級一分二功分器組成的功分網絡、數控衰減器、移相器、放大器等部分組成，其單通道內部的設計框圖如圖2所示。

圖2 單通道設計框圖

通道衰減控制為5位并行TTL，衰減精度0.5 dB，可調范圍0～15.5 dB。通過控制衰減量的大小，可對雙波束工況下兩個波束的功率進行動態分配，以支持數傳速率分配功能。移相碼為串行RS422差分信號，通過調整各通道相移量，為相控陣天線波束賦形提供相位改變量。系統相位標校是基于整個射頻鏈路的，故標校后的相位一致性(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)固態功率放大器

固放前端小信號段進行增益放大、鏈路濾波等處理，在后端實現功率放大，達到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的能力，在末級功放前加入了耦合檢波及20 dB動態范圍的自動電平控制(ALC)電路，使固放具備了抗20 dB以上過激勵能力。前后端均采用單片式微波集成電路(MMIC)模塊設計，將除濾波外的所有信號處理功能都集成在兩個多芯片組件(MCM)中，實現小型化和輕量化。

圖3 固放設計框圖

3)雙工器設計

本相控陣系統的天線采用收發共用設計，在發射鏈路末端設計了雙工器，其具備一定的頻率選擇性，對前向發射信號與衛星其它載荷發射信號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、品質因數(Q)值高等優點[7]，其電路拓撲如圖4所示。

圖4 雙工器拓補圖

經過仿真得到雙工器傳輸特性曲線，如圖5所示。雙工器的收發損耗最大為0.5 dB，發射通道對接收頻帶的抑制為87.9 dB，接收通道對發射頻帶的抑制為89.6 dB，可有效保證雙工下的收發信號隔離。

圖5 雙工器仿真曲線

4)天線陣面設計

天線單元選用軸向模螺旋天線設計，單元增益12.5 dBi(±13°范圍內)，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)。

圖6 天線陣面單元示意圖

根據通道輸出功率預算情況，對天線陣面的發射EIRP核算如表4所示。

表4 陣面發射EIRP預算表

3.2 波束控制設計

波束控制單元主要功能是接收數管計算機發送的工作模式及波束指向信息，解析、計算32路移相碼和衰減碼，按時序要求發送至波束形成網絡，并回傳數管計算機[8]。各通道的移相碼根據天線單元坐標、波束指向俯仰及方位角計算得到。

在地面測試階段的校準狀態下，采用逐通道遍歷法測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。

設波束指向離軸角為θ、方位角為φ(單位為rad)，第1個天線的坐標為原點，第n個天線單元的坐標為(xn,yn)(單位為m)，波長為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。

基于相控陣天線的實時響應特性，系統對波束切換時間有著較高的要求。波束切換時間指正常工作態時從RS422接口處接收用戶指向角開始到計算出移相碼的時間，主要由串口通信延遲時間、移相碼計算時間、移相器動作時間3部分組成，分解如下。

(1)通信報文數據量為14 byte，串口通信速率為9600 bit/s，據此計算波束建立串口通信延遲為11.67 ms。

(2)移相碼計算算法采用C語言實現，利用衛星軌道仿真軟件模擬出數據，利用單片機集成開發環境平臺仿真單片機的處理過程，CPU的工作時鐘是11.059 2 MHz，程序區設計64 Kbyte。在上述環境條件下，得出資源需求如表5所示。

表5 CPU資源需求核算

(3)移相器動作時間為納秒級，在計算中忽略。

因此可估算，此相控陣理論波束切換時間約為11.67+58.59=70.26 ms，符合小于120 ms的要求。

4 測試驗證情況

4.1 有線測試結果

在發射通道研制和總裝完成后，我們搭建了如圖7所示的測試平臺，對鏈路各通道的有線性能指標進行了測試。

圖7 測試系統框圖

在通道輸出功率測試中，發射鏈路輸入信號采用兩臺信號源輸出兩個工作中心頻率左右各1 MHz的S頻段異頻信號進行了測試。如圖8所示，實測單個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于0.67 dB。

圖8 通道幅頻特性測試結果

通過矢網實測通道帶外抑制度為85.87 dB，反應了雙工器發射頻帶對接收頻帶的抑制，接收頻帶經抑制低于底噪，符合雙工器仿真特性。

發射鏈路相位一致性標校反應了系統的相位補償能力。在系統初始化(移相器全部置零位)后，逐通道進行標校前相位測試，并計算出各通道所需移相碼，采用測試控制計算機作為模擬數管計算機，通過422信號將移相碼注入，完成有線階段相位一致性標校。標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°，符合設計預算。

圖9 相位一致性標校結果

通過示波器實測從計算機發送指向角信息到移相器完成移相動作這一過程的總時間約102 ms，如圖10所示，即為波束切換時間，優于指標120 ms的要求，略高于理論核算時間，經分析，主要在于波束管理軟件在部分指向角計算時，其運算時間略大于理論核算值。

圖10 波束切換時間測試結果

4.2 無線測試結果

在通道與天線集成后，在微波暗室對相控陣系統前向波束無線性能進行了測試驗證，系統連接框圖如圖11所示。

圖11 暗室波束性能測試框圖

暗室近場校正時，通過暗室測試系統信號源發送點頻信號，由天線輻射，暗室探頭接收[10]，測量出通道間的相位一致性，作為近場校正數據，注入波控。測試時，通過模擬數管計算機注入波束指向角，由暗室測試系統注入單個波束的前向單載波信號(雙波束工況下由信號源注入另一波束信號，不對此波束做接收處理)，經通道及天線發射，測試探頭接收信號，由暗室測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°)下的近場測試結果與天線方向圖，波束指向精度優于0.76°，雙波束下每個波束EIRP較單波束下降約4 dB，單波束及雙波束EIRP均符合鏈路核算預期。

圖12 實測波束二維方向圖(歸一化)

表6 波束測試結果

為進一步驗證相控陣系統的目標跟蹤能力，搭建了如圖13所示的目標跟蹤驗證系統，進行開環跟蹤驗證。通過機械轉臺相對用戶運動模擬用戶在軌運動，采用模擬地面設備、模擬數管計算機控制發射鏈路進行電掃跟蹤，通過誤碼率統計查看跟蹤效果。在驗證過程中，當用戶進入俯仰13°范圍內時，實現用戶跟蹤，數據率為2 kbit/s，誤碼率為0。

圖13 波束跟蹤驗證框圖

使用上述波束跟蹤驗證系統，對系統在不同用戶速率組合下的數傳性能進行了連續測試，測試結果如表7所示，測試中誤碼率均為0，優于10-7的中繼數傳誤碼率要求，為中繼衛星數傳提供了高可靠性的應用能力。

表7 數傳測試結果

5 結束語

本文研究設計的S頻段雙波束16通道發射鏈路，采用星上波束形成體制，實現了波束指向控制、功率放大、波束合成等功能，通道有線性能指標與系統無線性能指標均優于預期，在無線最大掃描角下實測，單波束發射EIRP優于43.87 dBW，雙波束同時工作時單個波束發射EIRP優于39.89 dBW，波束指向精度優于0.76°，并通過了對目標跟蹤能力和數傳性能的模擬驗證，為星載相控陣天線的實時星上波束形成提供了一種性能可靠的解決方案。應用于二代中繼衛星多址相控陣系統中，可有效滿足系統同時為多用戶目標服務的能力發展需求，顯著提升了在軌衛星及其他飛航用戶的管理能力。