阵列信号频分复用毫米波传输技术

杨 萍,黄 建

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

1 引 言

阵列天线已经在各种无线电系统中得到了广泛应用。一般系统中阵列天线和阵列信号处理都集成在一个设备内,天线阵元的信号到处理机之间只需传输有限距离。但在一些应用中,天线阵与处理机分别配置在不同地点,此时就需要将阵列信号远距离传输到处理机。一个典型的例子是卫星或无人机上的阵列天线。为了尽量减小星上或机上设备复杂度、体积、重量和功耗,复杂的阵列信号处理需要在地面站完成。这种情况下必须采用无线链路将全部阵列信号传输到地面站或进行相反方向传输,并尽量减少各路信号串扰和失真,保持收、发端各路信号之间相对的幅度、相位关系不变。

采用毫米波链路进行阵列信号传输具有明显的优点,包括:毫米波频段带宽宽,通信容量大,可以满足一条链路同时传输多阵元信号的带宽要求;毫米波频段设备具有体积小的优点,利于传输设备的轻小型化;毫米波链路可实现更高的链路增益,具有更好的传输质量。因此,毫米波链路是实现阵列信号大容量、低失真传输的主要手段之一。

阵列信号的每一路信号都具有相同的信号形式,多路信号可以通过时分复用、频分复用、码分复用等方式在一个信道上传输。信号频分复用传输技术能充分利用毫米波信道大带宽的优点,设备较简单,传输失真小,信号干扰低,因而得到了广泛的应用,特别是在卫星通信领域。

阵列信号频分复用传输就是把毫米波信道划分成若干个子信道,每一个子信道传输1路信号。信道总频率宽度应大于各个子信道频率宽度之和,同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰,应在各子信道之间设立隔离带,这样就保证了各路信号互不干扰。因此阵列信号频分复用传输需要占用比较宽的带宽。

目前,该技术已经在美国等西方国家的军事卫星数据通信业务中得到了广泛应用。美国的TDRSS[1]S频段多址(SMA)业务就是该技术的典型应用。美国自1983年至今已研制了两代TDRSS,无论是第1代还是第2代TDRSS,其中继星上SMA都采用了阵列信号毫米波传输技术。

本文提出一种阵列信号频分复用毫米波链路设计方案,详细介绍了阵列信号复用/解复用和传输的关键技术及其实验结果。

2 传输链路总体设计

该传输链路的主要功能是实现卫星阵列天线信号在卫星与地面站之间的双向传输。

链路组成框图如图1所示。由图1可见,链路共包括星上和地面两部分。星上部分包括Ka频段天线、Ka频段双工器、毫米波收发前端、30路频分复用电路、12路解复用电路、S频段双工器和频综等,地面部分包括天线、Ka频段双工器、毫米波收发前端、30路解复用、12路频分复用和频综等。

工作流程为:星上电路将S频段相控阵天线接收的30个阵元信号用频分复用方式,将30路同频信号复合至1个信道,然后变频到Ka频段,通过下行链路传回地面,在地面分离出各阵元信号(频率解复用)后,下变频到70MHz送多波束处理终端;同时,地面设备的12路信号经地面波束形成处理后,也采用频分复用方式,将12路同频信号复合至1个信道,然后变频到Ka频段,通过毫米波上行链路传到星上,在星上把各阵元信号解频率复用后,下变频到S频段,经S频段相控阵天线输出。

图1 链路框图Fig.1 Block diagram of the link

3 阵列信号FDM/DFDM设计

阵列信号的FDM/DFDM主要由星上和地面两部分组成。星上电路与地面电路类似。星上DFDM与星上FDM电路工作原理相同,只是工作流程相反。因此,仅以星上FDM为例来说明。

来自相控阵天线的30路S频段单个信号带宽为7MHz,通道保护带宽小于2MHz,各通道之间的隔离度要求大于35dB,因此需要在FDM合成之前对各通道信号滤波,所以各通道需要采用带宽为7MHz、对偏离边带频率1.5MHz抑制要达到35dB以上的滤波器。目前由于滤波器工艺水平的限制,无法直接在S频段进行FDM合成。因此需要先将S频段信号下变频至某一中频,对各路信号滤波放大,FDM合成之后再上变频。

3.1 星上FDM组成及工作原理

星上FDM要实现的功能是:星上S频段相控阵天线接收的30路信号通过FDM合成1路信号。

一般来讲,FDM有以下两种实现方法。

(1)第一种方法

将30路S频段信号分别通过30个本振信号进行混频,分别变频到不同的载波上,由1个30路合路器合成一路输出。该电路主要由30路的S频段放大器、S频段滤波器、混频器、C频段放大器、C频段滤波器及30路合路器组成。

(2)第二种方法

采用6×5分组FDM和二次变频的方法,其工作原理[1,2]如图2所示。在图2中,来自相控阵天线接收阵元的30路信号经低噪声放大、滤波后,每5路一组,共分为6组,每组通过不同的本振(6个相邻频率间隔7.5MHz的本振,每个频率的本振有5路输出)进行一混频后将得到6组不同的一中频f11…f16;然后从6组信号中的每一组信号中各取一路信号合成1路,共合成5路信号输出,然后每一路信号与5个不同本振(5个相邻频率间隔45MHz的本振)进行二混频,变换为5个不同的二中频f21…f25。最后,5个二中频合并起来产生30路频谱不重叠、均匀排列的FDM合成信号。

图2 FDM电路框图Fig.2 Block diagram of FDM

与第一种方案相比,第二种方案中本振由30个减少为11个,仅增加 5个上混频器,体积、质量、功耗及器件种类有较大减少,有源电路数量和种类大大减少,从而增加了电路的可靠性。因此,本文选用第二种方案。

3.2 幅相一致性设计

在FDM电路设计中,幅相一致性是一个非常重要的指标。因为通道间幅值和相位的不一致会严重影响阵列信号处理的性能,严重时甚至不能形成多波束。

在传输过程中,各阵元信号的频率不同引入的幅度相位不一致性是主要误差来源。在本次设计中采用的幅相一致性校准方法是:通过实验测试各通道之间的幅相变化,并相应调整各通道数字移相器相位,然后在地面波束形成的加权系数中抵消其变化,可将各通道的幅相特性校正为一致,以满足系统要求。

另外,为了达到多通道幅相一致性,在电路设计上还采取了以下措施:

(1)电气、结构设计均要保证一致性和对称性,一些环节预留调节装置;

(2)为了实现多通道间的幅度平衡,首先要使单通道带内有较高的平坦度,各个通道幅频特性的变化趋势基本一致;其次,各通道间的幅度一致性通过调整放大器的增益来解决;

(3)相位的不一致性受几方面因素影响,通过选配元器件,使各个通道电路布局相同;通过装配工艺、元器件摆放位置、焊接及印制板装配等进行严格控制;微调本振端电缆长度等措施抵消固定相差;

(4)减少工艺误差,保证微带加工工艺的一致性和批次性;保证装配的元器件的同一批次性;保证有源器件的生产同一批次性。

3.3 FDM/DFDM信道间的隔离度

信道隔离包括空间隔离和电路隔离,其中,空间隔离通过屏蔽来保证。合理设计屏蔽结构,空间隔离一般可达到60dB以上。

电路隔离是通过滤波器、合成器和分路器来共同实现的。其中,滤波器是实现电路隔离度的关键部件。在本设计中,信道(中心频率相隔7.5MHz,通道保护带宽为小于2MHz,)间的隔离度要求大于35dB。

根据目前滤波器工艺水平,只有声表滤波器能满足带宽和抑制度的要求,但是其中心频率不超过400MHz[3]。对声表滤波器而言,相对带宽窄、矩形系数高是其难点。在本次设计中,声表滤波器偏离边带频率1.5MHz抑制可达到30dB以上。考虑复用和解复用一个分路器和一个合成器及滤波器的效果,各复用通道隔离度可达50dB以上。同时,要求声表滤波器还必须具备良好的幅度相位特性和温度稳定性。

4 毫米波链路设计

4.1 毫米波链路组成及工作原理

毫米波链路主要完成的任务是把S频段FDM信号上变频到Ka频段,并通过Ka频段天线发送出去;把Ka频段信号下变频到S频段,送给频分解复用单元。

毫米波链路包括星上和地面两部分,其中星上电路和地面电路的设计原理是相同的,只是频率稍有不同。下面仅以星上毫米波收发前端为例进行说明。毫米波收发前端原理图如图3所示。

图3 毫米波收发前端原理框图Fig.3 Block diagram of the millimeter wave transceiver front end

发射支路工作原理是:中频信号经谐波混频器上变频到Ka频段,再经毫米波滤波器和放大器后送至天线输出。

接收支路中,从天线接收来的信号经隔离器、低噪放、毫米波滤波器,再经下变频器和中放输出至解复用单元。

为了降低本振输入频率,提高端口隔离度,避免可能产生的组合杂波进入信号通带,毫米波收发电路均采用谐波混频器。

为达到良好的噪声系数,对波导微带探针过渡进行优化设计[4],其插入损耗可低于0.2dB。第一级毫米波放大器选用的器件噪声系数为2dB,增益为20dB,最后测试得到的接收机噪声系数为2.3dB。

接收机采用薄膜微带平行耦合线滤波器作为抑制镜频滤波器,以抑制镜频噪声。该滤波器具有体积小、损耗低、频率选择性好等特点。经测试,滤波器带内平坦度及阻带抑制较好,对镜频抑制大于40dB,通带内插损为2～3dB。

4.2 幅频特性

毫米波信道的带内平坦度直接影响各通道的幅度一致性。影响毫米波信道幅频特性的因素有器件幅频特性和驻波、微组装工艺、器件及功能电路之间连接等。

为了保证信道的幅频特性,采用了以下措施:

(1)信道采用毫米波Ka频段,与微波相比,毫米波信道的相对带宽较小,毫米波器件具有相对优良的幅频特性;

(2)选用驻波和幅频特性好的毫米波器件,并利用器件择幅频特性相互补偿来改善带内增益平坦度;

(3)对于驻波较差的器件,通过在其输入、输出端插入隔离器或衰减器的方式改善驻波;

(4)通过优良的微组装工艺减小各级输入输出端的驻波;

(5)在天线和中频接口加隔离器,避免由于端口驻波较差引起信号幅频和相频特性的恶化。

5 群时延电路设计

在传输链路中群时延失真同样会导致阵列信号处理产生误差,必须将各路信号之间以及每路信号带宽内的群时延起伏控制在较小的范围内。

信道中的混频器、功分器和放大器等具备较平坦的群时延特性,其群时延指标通常是皮秒量级[5],对系统群时延贡献很小。而滤波器是系统中频响最窄的部分,所以往往是链路中最窄带的滤波器限制了系统的群时延。在本设计中,群时延最大的是7MHz带宽的声表滤波器。

基于目前声表滤波器的工艺水平限制,群时延波动最好指标只能达到30 ns,这显然不能满足系统设计要求,所以需要对群时延进行补偿。

群时延补偿可以在中频实现,也可以在基带实现。在中频实现的缺点是需要引入一个新的中频设备,这大大增加了地面接收系统的成本和复杂度[6],是不现实的,因此需要在基带上进行群时延补偿。

另一方面,可通过提高声表滤波器设计和制造工艺水平来提高群时延指标一致性,改善各路信号群时延误差。

6 实验结果

根据以上设计方案,研制出了一套设备,图4为样品实物图。其测试结果为:群时延小于50 ns,隔离度大于40dBc,幅频特性小于2.5dB,幅度一致性小于2dB,相位一致性小于20°。

图4 样品实物图Fig.4 Picture of the sample

7 结 论

本文介绍了一种阵列信号频分复用毫米波传输技术,论述了频分复用和毫米波链路设计的关键技术,通过样机研制和测试,表明技术方案可行,性能指标满足阵列信号传输要求。该技术方案和关键技术可以应用到多路阵列信号的毫米波传输中。

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