S频段星载相控阵双波束发射链路载荷设计与实现

余鹏程 葛枫 吴瑞荣 陈小群

(1 中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)(2 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094)

在卫星通信系统中，由于高等效全向辐射功率(EIRP)、频率复用、大功率合成、干扰抑制等要求，多波束天线已在国内外新一代通信卫星中普遍采用[1-3]。相比机械扫描反射面天线，多波束相控阵天线系统通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状，控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的，也可以通过加权优化控制副瓣电平、零点值位置等参数[4]。具有高增益、高指向精度、高可靠性、实时响应、灵活性强等特点，能很好地满足中继卫星系统同时为多用户目标服务的需求，是实现中继卫星系统星间多目标数据中继的重要发展方向[5]。

美国第三代跟踪与数据中继卫星(TDRS)从2013年开始陆续发射，其载有单址天线、S频段多址相控阵天线、全向天线和Ku频段星地链路天线等，其中多址相控阵天线可同时为多用户目标提供中继服务。我国在2008年到2012年间，相继发射了3颗天链一号中继卫星，实现三星在轨组网工作，我国也成为继美国之后第二个拥有全球覆盖能力中继卫星系统的国家。相比TDRS，天链一号卫星缺少多址接入能力，为了进一步增强我国中继卫星系统的多目标服务能力，满足各类用户对中继卫星系统的使用需求[6]，我国二代中继卫星系统采用相控阵天线向用户提供S频段多址接入业务。本文所设计的双波束发射链路应用于二代中继卫星S频段多址相控阵天线载荷，采用星上波束形成方案，设计并实现了一种S频段双波束16通道发射链路，具备良好的发射通道幅相一致性及优异的波束指向切换性能，可实现2个独立可控、实时扫描跟踪的前向波束，为2个前向用户同时提供遥控或数据传输服务。

1 设计原理及要求

多址相控阵系统前向波束由星上射频波束形成网络形成，星上波控单元根据用户的方位和离轴角进行波束指向计算和修正，并进行移相码计算，通过改变移相器的控制代码将波束中心瞄准和跟踪用户。系统在轨自主工作时，前向射频波束形成由星上独立完成；地面注入工作时，则由地面、星上共同完成，其中地面负责用户的轨道外推、用户方位、离轴角和移相码计算，星上仅负责实施移相。

二代中继卫星02星多址相控阵系统具备同时形成两个前向波束的能力，可有效增加多址相控阵系统前向波束的可用资源，提升前向波束应用的灵活性。根据此需求，相控阵前向波束的发射链路性能指标如表1所示，其中，通道输出功率和发射EIRP体现系统在通道与天线级联前后的发射功率要求，幅相一致性和波束切换时间对相控阵的波束形成质量及实时性起决定性作用。

表1 主要性能指标

2 系统设计

根据任务需求，为了在有限的体积、功耗包络范围内完成双波束发射链路的设计，对发射链路的波束形成网络采用高度集成化的设计，在每个波束形成网络内部集成了功分、数控衰减、移相、放大和控制信号接收等主要功能模块。两个独立的波束形成网络模块完成波束形成后，其经合路、固态功率放大、双工器等最终输出至天线单元，组成整个前向射频链路，如图1所示。

图1 发射链路框图

发射链路接收来自星上前向转发器输出的2个S频段前向波束信号，分别功分为2个波束各16通道信号，由波控单元同时对这32通道进行移相、衰减控制，并经后级双波束合成和功率放大后，由16个天线单元辐射至空间，形成2个波束。根据链路组成，对通道输出功率指标分解见表2，形成各功能模块的链路设计依据。

表2 通道输出功率预算表

根据上述链路设计状态及要求，多址相控阵系统采用“前向空分+码分”的技术体制的服务能力，单个波束最多支持4个1 kbit/s用户、或2个2 kbit/s用户、或1个4 kbit/s用户这样的通信方式，双波束下还可通过前向功率分配功能，支持如1个1 kbit/s、1个4 kbit/s用户同时服务的速率分配功能，为前向波束数传提供灵活的应用方式。

3 射频链路与波束控制设计

3.1 射频链路设计

由上述系统设计与指标分解可知，将射频链路分解为独立的功能模块进行设计，主要包含波束形成网络、固态功率放大器、双工器、天线单元、波束控制设备。

1)波束形成网络设计

波束形成网络是完成前向波束形成的主要功能模块。如第2节中图1所示，内部射频链路由四级一分二功分器组成的功分网络、数控衰减器、移相器、放大器等部分组成，其单通道内部的设计框图如图2所示。

图2 单通道设计框图

通道衰减控制为5位并行TTL，衰减精度0.5 dB，可调范围0～15.5 dB。通过控制衰减量的大小，可对双波束工况下两个波束的功率进行动态分配，以支持数传速率分配功能。移相码为串行RS422差分信号，通过调整各通道相移量，为相控阵天线波束赋形提供相位改变量。系统相位标校是基于整个射频链路的，故标校后的相位一致性(即各通道移相量的均方差)仅由移相器量化误差和移相精度共同影响，将二者均方后得到相位一致性为±6.9°，如表3所示。

表3 相位一致性核算表

2)固态功率放大器

固放前端小信号段进行增益放大、链路滤波等处理，在后端实现功率放大，达到9 W的射频功率输出能力，如图3所示。为保证移相固放组件具备抗过激励的能力，在末级功放前加入了耦合检波及20 dB动态范围的自动电平控制(ALC)电路，使固放具备了抗20 dB以上过激励能力。前后端均采用单片式微波集成电路(MMIC)模块设计，将除滤波外的所有信号处理功能都集成在两个多芯片组件(MCM)中，实现小型化和轻量化。

图3 固放设计框图

3)双工器设计

本相控阵系统的天线采用收发共用设计，在发射链路末端设计了双工器，其具备一定的频率选择性，对前向发射信号与卫星其它载荷发射信号提供充分的频率抑制与隔离。双工器采用同轴腔谐振器形式，具有损耗小、功率容量大、品质因数(Q)值高等优点[7]，其电路拓扑如图4所示。

图4 双工器拓补图

经过仿真得到双工器传输特性曲线，如图5所示。双工器的收发损耗最大为0.5 dB，发射通道对接收频带的抑制为87.9 dB，接收通道对发射频带的抑制为89.6 dB，可有效保证双工下的收发信号隔离。

图5 双工器仿真曲线

4)天线阵面设计

天线单元选用轴向模螺旋天线设计，单元增益12.5 dBi(±13°范围内)，天线阵面采用三角形栅格的阵列布局，如图6所示，阵面增益为24.0 dBi(±13°范围内)。

图6 天线阵面单元示意图

根据通道输出功率预算情况，对天线阵面的发射EIRP核算如表4所示。

表4 阵面发射EIRP预算表

3.2 波束控制设计

波束控制单元主要功能是接收数管计算机发送的工作模式及波束指向信息，解析、计算32路移相码和衰减码，按时序要求发送至波束形成网络，并回传数管计算机[8]。各通道的移相码根据天线单元坐标、波束指向俯仰及方位角计算得到。

在地面测试阶段的校准状态下，采用逐通道遍历法测得各通道的固有相位值[9]，并与第1通道的固有相位值相减，得到各通道与1通道的固有相位差Pcal_n。

设波束指向离轴角为θ、方位角为φ(单位为rad)，第1个天线的坐标为原点，第n个天线单元的坐标为(xn,yn)(单位为m)，波长为λ(单位为m)，不考虑通道固有相位差的情况下，第n通道的移相角度Psft_n(单位为rad)为

yn×sinθ×cosφ)

(1)

五位移相器的移相步进为11.25°，在考虑通道固有相位差后，此通道的移相码为

(2)

式中：round(*)为取整函数。

基于相控阵天线的实时响应特性，系统对波束切换时间有着较高的要求。波束切换时间指正常工作态时从RS422接口处接收用户指向角开始到计算出移相码的时间，主要由串口通信延迟时间、移相码计算时间、移相器动作时间3部分组成，分解如下。

(1)通信报文数据量为14 byte，串口通信速率为9600 bit/s，据此计算波束建立串口通信延迟为11.67 ms。

(2)移相码计算算法采用C语言实现，利用卫星轨道仿真软件模拟出数据，利用单片机集成开发环境平台仿真单片机的处理过程，CPU的工作时钟是11.059 2 MHz，程序区设计64 Kbyte。在上述环境条件下，得出资源需求如表5所示。

表5 CPU资源需求核算

(3)移相器动作时间为纳秒级，在计算中忽略。

因此可估算，此相控阵理论波束切换时间约为11.67+58.59=70.26 ms，符合小于120 ms的要求。

4 测试验证情况

4.1 有线测试结果

在发射通道研制和总装完成后，我们搭建了如图7所示的测试平台，对链路各通道的有线性能指标进行了测试。

图7 测试系统框图

在通道输出功率测试中，发射链路输入信号采用两台信号源输出两个工作中心频率左右各1 MHz的S频段异频信号进行了测试。如图8所示，实测单个波束的各通道输出功率最小值为38.77 dBm，各通道间输出功率差优于0.53 dB；双波束工况下，各通道输出功率最小值为33.83 dBm，各通道间输出功率差优于0.67 dB。

图8 通道幅频特性测试结果

通过矢网实测通道带外抑制度为85.87 dB，反应了双工器发射频带对接收频带的抑制，接收频带经抑制低于底噪，符合双工器仿真特性。

发射链路相位一致性标校反应了系统的相位补偿能力。在系统初始化(移相器全部置零位)后，逐通道进行标校前相位测试，并计算出各通道所需移相码，采用测试控制计算机作为模拟数管计算机，通过422信号将移相码注入，完成有线阶段相位一致性标校。标校后的各通道相位一致性如图9所示，波束1、2分别为9.4°和9.1°，符合设计预算。

图9 相位一致性标校结果

通过示波器实测从计算机发送指向角信息到移相器完成移相动作这一过程的总时间约102 ms，如图10所示，即为波束切换时间，优于指标120 ms的要求，略高于理论核算时间，经分析，主要在于波束管理软件在部分指向角计算时，其运算时间略大于理论核算值。

图10 波束切换时间测试结果

4.2 无线测试结果

在通道与天线集成后，在微波暗室对相控阵系统前向波束无线性能进行了测试验证，系统连接框图如图11所示。

图11 暗室波束性能测试框图

暗室近场校正时，通过暗室测试系统信号源发送点频信号，由天线辐射，暗室探头接收[10]，测量出通道间的相位一致性，作为近场校正数据，注入波控。测试时，通过模拟数管计算机注入波束指向角，由暗室测试系统注入单个波束的前向单载波信号(双波束工况下由信号源注入另一波束信号，不对此波束做接收处理)，经通道及天线发射，测试探头接收信号，由暗室测试软件得到波束宽度、指向精度等信息。表6和图12为波束指向角(0°,0°)、(13°,270°)下的近场测试结果与天线方向图，波束指向精度优于0.76°，双波束下每个波束EIRP较单波束下降约4 dB，单波束及双波束EIRP均符合链路核算预期。

图12 实测波束二维方向图(归一化)

表6 波束测试结果

为进一步验证相控阵系统的目标跟踪能力，搭建了如图13所示的目标跟踪验证系统，进行开环跟踪验证。通过机械转台相对用户运动模拟用户在轨运动，采用模拟地面设备、模拟数管计算机控制发射链路进行电扫跟踪，通过误码率统计查看跟踪效果。在验证过程中，当用户进入俯仰13°范围内时，实现用户跟踪，数据率为2 kbit/s，误码率为0。

图13 波束跟踪验证框图

使用上述波束跟踪验证系统，对系统在不同用户速率组合下的数传性能进行了连续测试，测试结果如表7所示，测试中误码率均为0，优于10-7的中继数传误码率要求，为中继卫星数传提供了高可靠性的应用能力。

表7 数传测试结果

5 结束语

本文研究设计的S频段双波束16通道发射链路，采用星上波束形成体制，实现了波束指向控制、功率放大、波束合成等功能，通道有线性能指标与系统无线性能指标均优于预期，在无线最大扫描角下实测，单波束发射EIRP优于43.87 dBW，双波束同时工作时单个波束发射EIRP优于39.89 dBW，波束指向精度优于0.76°，并通过了对目标跟踪能力和数传性能的模拟验证，为星载相控阵天线的实时星上波束形成提供了一种性能可靠的解决方案。应用于二代中继卫星多址相控阵系统中，可有效满足系统同时为多用户目标服务的能力发展需求，显著提升了在轨卫星及其他飞航用户的管理能力。