相控阵测控系统时频及标校信号一体化光传输设计*

李 旭，肇 格

(1.中国西南电子技术研究所，成都 610036;2.战略支援部队 航天系统部装备项目管理中心，北京 100094)

0 引 言

相控阵测控系统是在同一时刻将不同通道的信号进行幅度、相位加权，从而实现信号在天线远场形成波束精确指向的功能[1]。为了实现这一目的，需要有两个前提条件:第一，所有通道信号必须同一时刻在同一工作时钟下由同一触发信号进行触发加权，这就涉及到不同通道的时频信号传输设计；第二，所有通道必须精确地进行幅度和相位加权，所以相控阵测控系统必须进行所有通道的幅度、相位精确标校，这就涉及到不同通道的标校信号传输设计问题[2]。

为了获得足够大的天线增益和作用距离，相控阵测控系统的一个最重要形态特点是信号通道规模巨大，直径数米的相控阵测控系统通道数目通常可达成千上万个。性能良好的时频及标校信号传输网络既是相控阵测控系统设计中的难点，也是相控阵测控系统设计中的核心，一个性能优异的相控阵测控系统必须要有一个性能可靠、设计合理、维修使用方便的时频及标校网络设计。随着相控阵测控系统的集成度越来越高、通道数越来越多，高集成度时频标校分发网络设计也显得越来越迫切。

在相控阵测控系统的设计中，一般将几十个通道合并为一个小规模子阵进行信号处理，所以时频及标校信号传输一般以子阵为单位进行传输设计，这样可以大大减少时频及标校网络的复杂性，也可以有效提高信号传输的稳定性。本文以一个1 344通道规模的相控阵测控系统为例进行说明。在该相控阵测控系统中以12个通道作为一个子阵单元，共有112子阵，所以需要设计一个112条链路的时频及标校链路传输网络[3]。

1 传统相控阵测控系统时频信号传输设计

相控阵测控系统的时频信号一般由系统工作时钟信号和同步触发信号两个信号组成，工作时钟信号为标准的正弦波信号，频率一般为90 MHz、240 MHz、500 MHz或者更高；同步触发信号一般是频率为10 Hz、100 Hz、1 MHz的周期脉冲信号，脉宽一般为10 ns、100 ns等。本节以一个工作时钟信号频率为240 MHz、同步触发信号为10 Hz的相控阵测控系统为例来说明时频信号分发传输网络的设计。

在传统的相控阵测控系统中，工作时钟信号和同步触发信号分发网络需要分别进行设计。

一种典型的112路时钟信号分发网络如图 1所示，该时钟分发网络由多个功分器和传输线缆组成，主要包括14个八路功分器和配套的126根稳相电缆组件。八路功分器用于240 MHz时频信号的分配，14个功分器分别将240 MHz时钟插箱输出的14路240 MHz信号等相位地分配到112个天线子阵。典型的同步触发信号分发一般通过多片现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)进行低电压正电源射极耦合逻辑(Low Voltage Positive Power Emitter Coupling Logic,LVPECL)电平形式的信号分发，然后再通过112根稳相差分线缆将同步触发信号分发到112个天线子阵。

图1 时钟信号分发网络

传统的时频分配网络的主要缺点在于设备组成复杂，线缆繁多，多个功分器不便于安装，相位一致性难以保证，后期设备的维护性较差。

2 传统相控阵测控系统标校信号传输设计

相控阵测控系统的标校信号由接收链路的下行标校信号和发射链路的上行标校信号两个信号组成，在传统的相控阵测控系统中上下行标校信号传输网络需要分别进行设计。上行标校信号传输网络用于发射链路校准，接收发射通道耦合回来的射频信号，滤波放大后经过开关选择输出给后端处理设备和参考信号做幅度相位比较。下行标校信号传输网络用于接收链路校准，接收后端处理设备输出的下行射频信号，经过开关选择输出给接收链路的耦合通道，再通过接收链路接收以后和后端处理设备的参考信号做幅度相位比较[4-7]。

一种典型的112路标校信号分发网络如图 2所示，该标校信号分发网络由多个开关和传输线缆组成，主要包括2个一选二开关、14个一选八开关和配套的131根稳相电缆组件。在该标校网络中，发射校准和接收校准分时工作，每个发射链路或接收链路也是通过多极开关组合分时进行工作。上行发射链路校准时，通过系统监控将某一路的发射耦合信号通过开关网络送到后端处理设备进行信号处理。下行接收链路标校是上行发射链路标校的反向流程，后端处理设备通过开关网络分时将接收校准信号送到阵面上的112个天线子阵。

图2 标校信号分发网络

传统的标校信号分配网络的主要缺点在于设备组成复杂，线缆繁多，多路选择开关不便于安装，相位一致性难以保证，后期设备的维护性较差。

3 新型相控阵测控系统时频及标校信号一体化光传输设计

为了解决传统的相控阵测控系统时频及标校信号分配传输网络存在的上述问题，在新一代相控阵测控系统中提出了时频及标校信号一体化光传输的设计方案。采用光纤及光学器件完成时频和标校信号的传输及分发，由于待传输的时频信号为电信号，因此首先需要对其中的各路电信号进行电光转换，将电信号调制到光载波上，完成信号的加载，采用波分复用技术合为一路后利用单模单芯光纤和光分路器完成光信号的多路分配，将时频及标校信号分发到不同的天线子阵。

3.1 一体化光传输框架设计

如前文所述，相控阵测控系统中的时频信号主要由分发到各个子阵的系统时钟信号(Clock Signal，CLK)和同步触发信号(Synchronization Signal，SYNC)两个信号组成，标校信号主要由分发到各个子阵的接收通道标校射频信号(Radio Frequency,RF)RF1和由各个子阵发射通道耦合输出的发射标校射频信号RF2组成。新型时频及标校信号一体化光传输设备组成框图如图 3所示，主要实现方式是通过一根光纤复用传输完成对四路信号(RF1、RF2、CLK、SYNC、)的双向分配和传输，其中时钟信号CLK、同步触发信号SYNC和接收链路标校信号RF1是从后端设备分配传输到相控阵测控系统阵面上的每个子阵，发射链路标校信号RF2是从相控阵测控系统阵面上的每个子阵反向传输到后端设备。

图3 时频光分发及传输设备组成示意图

如图3所示，光发射插箱将上行三路时频及标校信号进行电-光转换,调制为三路光信号。三路光信号先通过密集波分复用(Dense Wave Length Division Multiplexing,DWDM)为一根光纤，由光放大器进行光功率放大，再经稀疏波分复用(Coarse Wave Length Division Multiplexing,CWDM)器与反向传输的发射链路标校光信号复用为单根光纤传输。波分复用器解出单根光纤中的发射标校光信号RF2，经光放大器进行光功率放大，最后经光电转换后输出一路下行发射标校电信号[8]。下行的发射标校信号是时隙工作模式，即在同一时刻有且仅有一路RF2信号从某个子阵的光接收处理模块发出。CWDM复用技术原理示意图及四路光信号典型复用的光波长分配如图4所示。

图4 波分复用单芯光缆传输方案原理框图

在一些更为复杂的相控阵测控系统中，除了上下行的时频和标校信号外可能还需要传输更多的其他信号，如图3所示的一体化光传输框架扩展性强，可以支持多路光信号的上下行同时传输，经过简单的扩展即可增加光传输链路规模，该框架可满足小中大各种规模相控阵测控系统的上下行信号一体化传输要求。

3.2 性能指标对比

时频及标校信号一体化光传输设计方案和传统的电缆分配网络相比，除了具有设备简单以外，在具体的电性能、经济成本和安装维护便捷性上也具有优异的表现。

3.2.1 相位温度稳定性

相控阵测控系统对于传输的时频和标校信号的温度相位一致性有很高要求，如果传输信号随温度变化导致相位变化则会直接影响相控阵测控系统的合成增益。我们对比测试了传统的电缆分配传输方案和新型的光缆一体化传输方案在S频段(以2 590 MHz为例)温度相位稳定性，测试数据如图5和图 6所示。

图5 温度相位一致性变化曲线

如图5所示，横坐标“温度值_测试次数”表示在该温度下电缆或者光缆的第几次测量相位值，如“40 ℃_2”表示在40 ℃下电缆或者光缆的第2次测量相位值。为了增加测量数据的可信度，在每个温度点均对各线缆进行了两个温度测量。

如图6所示，在15 ℃～45 ℃的环境范围内，采用稳相光缆传输的方案相位温度稳定性远远高于传统的线缆传输方案。

图6 不同温度范围相位变化量比较

3.2.2 成本经济型

以上文讨论的112个子阵规模的相控阵测控系统为例，传统的电缆分配传输和新型光纤一体化传输方案的成本比较如表 1所示，可见新型的相控阵测控系统视频和标校一体化传输方案经济成本可以节约30%～40%，随着相控阵测控系统规模的增大，成本优势将更加明显。

表1 光缆传输和电缆传输成本比较

表1(续)

3.2.3 安装及维护性

光缆与电缆材质不同，光缆以玻璃质纤维为导体，电缆以金属材质(大多为铜)为导体，它们的主要参数如表2所示。

表2 稳相光缆与稳相电缆主要参数比较

由表2可知，稳相光缆的质量和外径均小于稳相线缆，质量的减小带来的直接好处就是可以减少天线阵面的重力负荷，便于施工及后续维护。以10 m的传输距离来看，1根稳相电缆质量约1 kg，电缆时频及标校传输方案的总线缆质量约为369 kg，一根稳相光缆的质量约为0.3 kg，整个光缆传输的线缆总质量仅为33.6 kg，约为电缆传输线缆总质量的1/10。

现在的相控阵测控系统集成度越来越高，带来的问题就是内部的走线空间越来越小，所以稳相光缆还有一个巨大的优势就是其外径小，材质柔软，稳相光缆的弯曲半径远小于稳相线缆，这就为施工、设计、维护带来了巨大的操作方便性[9]。

4 结 论

本文针对相控阵测控系统时频和标校信号传输网络的设计需求，分析了传统相控阵测控系统时频及标校信号传输网络设计存在的相位一致性差、安装复杂、价格高昂、后期维护性较差等问题，设计了一种新型相控阵测控系统时频及标校信号一体化光传输网络。实验测试数据分析和工程实例表明该新型光传输网络在性能、成本、可扩展性以及安装维护等方面均比传统设计有明显提升。时频及标校信号一体化光传输设计除了上述优点外还具有抗电磁干扰能力强、传输损耗小等一系列优点。

随着相控阵测控系统的口径越来越大，通道数越来越多，集成度越来越高，时频及标校信号的传输路径也越来越长。目前一些大型相控阵测控系统的时频标校信号传输路径已达几十米到一百米，一体化光缆传输的优势也就越来越明显，尤其随着现在各种曲面赋形相控阵测控系统的发展，极小空间内的时频标校信号传输设计需求也越来越迫切。本文提出的时频及标校信号一体化光传输设计能够为新型相控阵测控系统的工程设计提供参考。