矢量调制器在星载相控阵天线中的应用

薛欣 韩运忠 江涛 陈腾博 范占春

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

矢量调制器在星载相控阵天线中的应用

薛欣 韩运忠 江涛 陈腾博 范占春

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

精确的相位调制技术是星载毫米波有源相控阵天线最关键技术之一。传统的数字移相器构造较为复杂，尺寸较大，相位调制特性有局限性，不是高工作频段、宽扫描角星载相控阵天线发展的最优选择。文章提出采用单片矢量调制器来代替数字移相器及数字衰减器，利用电压来控制矢量调制器的相位调制，提高了相位调制性能，同时具有结构简单、尺寸较小等优点。在此基础上设计了星载毫米波段有源相控阵天线，并且实现了精确的二维波束扫描功能，验证了矢量调制器在星载毫米波有源相控阵天线中应用的技术可行性。

航天器；毫米波；矢量调制器；有源相控阵天线

1 引言

先进的星载有源相控阵天线系统中，精确的相位调制是其最关键的技术之一。目前，国内外普遍采用数字移相器和数字衰减器作为有源相控阵天线通道幅相调制的手段，如“铱星”有源相控阵天线。

近年来，星载有源相控阵天线向更高工作频段、更高性能、更宽扫描角及抗干扰方向发展。特别是星间通信及测距的需要，对天线的二维扫描角度要求更是达到了极限。随着工作频率的升高、扫描角度的增大，相控阵天线阵元间距则会变得越来越小，加之抗干扰相控阵天线对幅相调制有着高精度的要求，这些需求使得相控阵天线对收发组件（TR）的相位调制特性要求越来越高，尺寸要求越来越小。而传统数字移相器及衰减器由于工作原理，其构造复杂，芯片尺寸较大，造成TR组件装配集成难度增加，不利于实现TR组件小型化。同时，数字移相器受限于本身特性，在移相时，会带来的附加幅度变化，在进行幅度衰减时，还会带来附加的相位变化［1-2］，这也使得TR组件的相位调制特性难以获得更灵活的应用。这些局限性使得数字移相器和衰减器不是高频率、更宽扫描角相控阵天线发展的最佳方案，进而也不是用于未来星间通信和测距相控阵天线发展的最佳方案。

针对这些问题，文章提出采用矢量调制器代替传统的数字移相器及衰减器两块芯片。矢量调制器芯片引脚少、尺寸小，一般只有传统数字移相器和衰减器芯片尺寸的1/2，并且有更精确的相位调制特性。矢量调制幅相的方法可以有效地进行有源相控阵天线射频通道的相位和幅度调制，完成传统数字移相器及衰减器的功能，并有利于TR组件的小型化及微组装，有利于星间通信和测距所需求的更高频段、更宽扫描特性有源相控阵天线的技术实现［3-5］。

有源相控阵天线的性能优劣很大程度上取决于后期口面幅相校准工作。本文提出采用无线校准方法进行天线矢量调制器的相位、幅度校准，不仅可以消除由于通道不一致性及单元互耦造成的口面幅相分布误差，还可以准确获得每个TR组件通道需要的相位、幅度调制对应的控制电压值。

2 矢量调制器设计及测试验证

本文提出在星载毫米波有源相控阵天线中应用矢量调制器，代替传统的数字移相器和衰减器来调制TR组件的幅度和相位，除其本身具有更精确的相位调制特性，由于其工作原理的原因，其在进行移相时，带来的附加衰减小，调制幅度时，带来的附加移相小；并且还可以使得用一块芯片代替数字移相器及衰减器两块芯片，不仅尺寸减小，其芯片引脚也由数字移相器及数字衰减器20多根引脚减少到4根。矢量调制器的这些优势，可以有效降低TR组件装配工艺的难度，有利于TR组件小型化的实现，有利于优化TR组件的幅相调制性能。这些都是高工作频段、宽扫描角有源相控阵天线所必须的特性。

2.1 矢量调制器原理及设计

在毫米波单片集成电路设计中，由于寄生参数的影响，芯片性能和体积经常是一对难于调和的矛盾。本文提出的反射式矢量调制器是一种基本的结构，最大的优势是体积小，接口数量少，控制方式简单。它主要由3部分组成：Lange桥、幅相调制器及Wilkinson功率合路器，原理图如图1所示［6-10］。

矢量调制器本身是无源器件，收发互易，其工作原理是输入一个单位幅度、初始相位为0、频率为ω的微波信号，经过Lange桥，将信号分配为两路幅度相等、相位正交的信号，分别进入两路幅相调制器，通过幅相调制器调节两路信号的幅度和相位，最后经过Wilkinson功率合路器将两路矢量信号合成输出信号为

式中：SI21及SQ21为两路幅相调制器的传输系数；φ为附加移相；t为时间。

幅相调制器为反射式矢量调制器的关键部分，经过Lange桥分配的两路微波信号，分别由两个独立的、设计完全相同的幅相调制器进行幅相调制，如图1所示。

图1 矢量调制器原理图Eig.1 Diagram of vector modulator

幅相调制器的工作原理：用两个高电子迁移晶体管（PHEMT）的漏极分别接入Lange耦合器的耦合端和隔离端，同时利用电压控制两个PHEMT管的栅极，从而改变PHEMT管漏极的电阻特性，来调节Lange耦合器的匹配状态，当Lange耦合器的匹配状态发生改变时，其直通端的输出信号的幅相也随之改变，达到幅相调制的目的。

例如，当两路幅相调制器的PHEMT管的栅压达到某一个值会导致PHEMT管的漏极电阻呈现50Ω，则Lange耦合器的直通端变为隔离状态，矢量调制器的输入信号被内部完全匹配吸收，呈现无信号输出的特性；当两路幅相调制器的PHEMT管的栅压达到某一个值导致PHEMT管的漏极电阻呈现0Ω或大于1000Ω，则Lange耦合器的直通端变为全传输状态，矢量调制器输出的信号最大。若两路幅相调制器PHEMT管的栅压在中间状态调节，矢量调制器就会呈现不同的幅相特性。

矢量调制器的插入损耗为

矢量调制器的移相为

可以看出，反射式矢量调制器的传输损耗最小为E0，要形成同幅度360°连续移相，其最小损耗为E0-3 dB。所设计的矢量调制器采用商用砷化镓（Ga As）0.25μm工艺流片，流片完成的芯片尺寸为2.5 mm×1 mm。

结果表明，所设计的反射式矢量调制器其结构上，只有4根引脚，分别为射频输入、射频输出、I路电压（VI）引脚、Q路电压（VQ）引脚。结构形式相比传统的数字移相器和数字衰减器大大简化，相比同频段的数字移相器和衰减器尺寸缩小了1/2以上，便于后期微组装及TR组件小型化，进而有利于高频段、宽角扫描相控阵天线的技术实现。

2.2 矢量调制器测试验证

为了验证矢量调制器芯片设计的正确性，对矢量调制器芯片性能在探针台进行在片测试。

测试时，控制矢量调制器的VI和VQ路电压以5 m V作为步进，VI和VQ两路电压在整个矢量调制器的工作电压范围内遍历，用矢量网络分析仪采集其射频性能。测试得到的矢量调制器幅相分布极坐标星座图如图2所示。可以看到，矢量调制器在小幅度衰减状态下，测试所得的移相精度优于1°。将得到星座图的数据进行离散化，可处理为等效6 bit移相器及3 bit衰减器，如图3所示。其中共离散出了等效3 bit衰减器的8个等幅度圆，不同等幅度圆之间幅度间隔0.75 dB，总范围从-10～-15.25 dB，每个等幅度圆上离散出了等效6 bit共64个相位点，每个相位点间隔5.625°。可以看出矢量调制器的幅相调制特性也优于数字移相器和衰减器。

图2 矢量调制器测试星座图Eig.2 Constellation of vector modulator

图3 矢量调制器测试提取幅相特性图Eig.3 AM/PH performance of vector modulator

测试结果表明，所设计的矢量调制器可以完成0°～360°相位调制和-10～-15.25 dB的幅度调制。进行移相时，其准确度优于0.5°，带来的附加幅度变化小于0.2 d B。进行衰减时，带来的附加相位变化小于1°。其性能优于传统的数字移相器和数字衰减器的性能。

3 在星载毫米波有源相控阵天线中的应用及测试验证

3.1 矢量调制器在有源相控阵天线中的应用

为了验证所设计的反射式矢量调制器芯片在天线系统中的性能，设计了星载毫米波有源相控阵天线，矢量调制器作为每个通道相位、幅度调制的手段。

有源相控阵天线系统示意图如图4所示，有源相控阵天线包含m×n个通道，每个通道由TR组件及辐射单元构成［11-12］。

图4 有源相控阵系统示意图Eig.4 Diagram of active phased array antenna

TR组件的原理示意图如图5所示。TR组件内部主要由两级发射放大器、两级接收放大器、矢量调制器及串行数模转换芯片构成。TR组件为收发共用、分时工作，接收/发射信号的幅相调制采用同一片矢量调制器。

图5 TR组件系统示意图Eig.5 Diagram of TR

本文所设计的有源相控阵天线的工作方式如下：

矢量调制器的移相、衰减依靠串并数模转换芯片的2路12 bit的数模转换器（DAC）电压进行控制，两路电压为VI和VQ，电压数据存储于相控阵天线控制器内部。每次需要进行相位和幅度调制时，控制器将需要调制的相位、幅度信息所映射的VI和VQ的电压数据通过串行总线传输至每个TR组件的串并数模转换芯片，而每个TR组件内部的串并数模转换芯片通过该TR组件的地址位，选择将对应的VI和VQ的电压数据存储至串并数模转换芯片缓存器内。

所有TR组件内部的串并数模转换芯片将对应的VI和VQ的电压数据缓存完成后，控制器通过控制总线下达“波束切换”指令，此时所有串并数模转换芯片通过事先缓存的VI和VQ的电压数据生成2路DAC模拟电压，输出至矢量调制器。TR组件内每个矢量调制器根据VI和VQ路的电压值，将射频信号调制至对应的相位和幅度值，每个天线阵元便会辐射出不同幅度、相位的矢量微波信号，所有天线阵元辐射出的矢量微波信号在空间矢量叠加，便会在远场区形成特定的波束方向图，成为不同扫描角度的波束方向图。

也可以看到，幅相调制器的性能受限于其两路控制电压VI和VQ的精度，一般这两路输出电压的精度需要优于3 m V，才能使矢量调制器发挥出优异的性能。所以采用矢量调制器的相控阵天线要实现优异的性能，除了矢量调制器本身外，高精度的串并数模转换芯片也是其关键所在。

所设计的星载毫米波有源相控阵天线完成生产及集成后，其口面幅相分布离散，且每个通道移相和衰减所对应的电压值未知，需要进行校准测试才能使相控阵天线具有应有的功能和性能。

3.2 有源相控阵天线通道无线校准方法验证

为了消除由于通道不一致性及单元互耦造成的口面幅相分布误差，从而得到更优的天线辐射性能，并获得每路通道相位、幅度调制对应的2路12 bit控制的电压值，本文提出在无线情况下完成星载毫米波有源相控阵天线矢量调制器的相位、幅度校准方法。

校准在暗室近场条件下进行，分别将TR组件内部2路12 bit的控制电压遍历，获得2路12 bit控制电压与TR组件相位、幅度的映射关系。典型测试所得的TR组件幅相分布星座图如图6所示。测试时，所有TR组件通道校准所采用的相位、幅度的参考原点参照事先规定的同一参考原点。这样进行测试的同时，也保证了有源相控阵天线口面的相位、幅度一致性。

图6 TR组件测试星座图Eig.6 Constellation of TR

测试获得每个TR组件的幅相分布星座图与其每个幅相点映射的2路12 bit控制电压值后，利用后处理程序，将得到的幅相特性进行离散化，典型结果如图7所示。其中共离散出了等效3 bit衰减器的8个等幅度圆，不同等幅度圆之间幅度间隔0.75 dB，总范围从-10～-15.25 dB，每个等幅度圆上离散出了等效6 bit共64个相位点，每个相位点间隔5.625°。并将该映射关系存储于天线控制器内部。该数据将用于后期有源相控阵天线在进行波束扫描时候对矢量调制器的控制。

图7 TR组件测试提取幅相特性图Eig.7 AM/PH performance of TR

如上所述，该方法可以有效地完成相控阵天线口面幅度、相位的校准，并同时可以得到每个TR组件通道的矢量调制器的相位、幅度特性与映射的控制电压关系。

3.3 有源相控阵天线测试验证

为了验证及评价采用矢量调制器的星载毫米波有源相控阵天线的辐射性能，同时为了验证近场无线校准方法所得到数据的正确性，对完成校准的星载毫米波有源相控阵天线进行远场辐射性能测试。

星载毫米波有源相控阵天线的波束扫描特性测试在远场箱型暗室进行。测试系统如图8所示，由自动转台、矢量网络分析仪、标准天线、测试电缆、信号合成源、直流稳压源及有源相控阵天线控制设备构成，采用此测试系统对有源相控阵天线水平面、垂直面的接收及发射方向图进行了测试。

图8 毫米波天线自动测试系统Eig.8 Automatic test equipment for millimeter wave antenna

测试得到的有源相控阵天线在二维空间±θ角度内的接收扫描方向图如图9、图10所示，在二维空间±θ角度内的发射扫描方向图如图11、图12所示。

图9 有源相控阵天线水平面接收扫描方向图Eig.9 Received radiation pattern in horizontal plane for active phased array antenna

图10 有源相控阵天线垂直面接收方向图Eig.10 Received radiation pattern in vertical plane for active phased array antenna

图11 有源相控阵天线水平面发射方向图Eig.11 Transmitting radiation pattern in horizontal plane for active phased array antenna

图12 有源相控阵天线垂直面发射方向图Eig.12 Transmitting radiation pattern in vertical plane for active phased array antenna

由测试结果可以看出，所设计的星载毫米波有源相控阵天线可以在二维空间±θ角度内进行接收/发射波束扫描，波束扫描中，峰值增益下降小于3 dB。发射扫描旁瓣抑制优于15 dB，接收扫描旁瓣抑制优于20 d B。该天线性能可以满足星间通信、测距对有源相控阵天线的高频段、大扫描角的性能需求，也验证了矢量调制器在星载毫米波段有源相控阵天线应用中的技术优势。

4 结束语

本文提出采用矢量调制器来代替传统的数字移相器及衰减器，弥补了传统数字式移相器和衰减器的部分电性能局限性、尺寸大及难组装等缺点。所设计的单片反射式矢量调制器，除了可以有效地实现幅相调制外，并具有结构简单、尺寸小等优点，有利于TR组件的组装及小型化，有助于更宽扫描角、更高频段相控阵天线的技术实现。

但是，矢量调制器也有一些不足，其本身幅相调制的性能受限于其两路控制电压的精度，所以采用矢量调制器的相控阵天线要实现优异的性能，除了矢量调制器本身外，高精度的串并数模转换芯片也是其关键所在。

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（编辑：张小琳）

Vector Modulator and Its Appliaction in Satellite Phased Array Antenna

XUE Xin HAN Yunzhong JIANG Tao CHEN Tengbo EAN Zhanchun
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Accurate phase modulating is a key technology of satellite millimeter-wave active phased array antenna.By reason of complicated structure，large size and low precision of phase modulating，conventional digital phase shifter and attenuator is not an optimized option of satellite millimeter-wave active phased array antenna.In this paper，conventional digital phase shifter and attenuator is replaced by vector modulator，which directs carrier modulation on phase by voltage control.The results shows that vector modulator has small size and simple structure，and its precision of phase modulating is better than that of conventional digital phase shifter and attenuator.Based on this technique，millimeter-wave active phased array antenna for spacecraft has been designed，and the antenna is proved to steer the beam scanning accurately.The results verify the feasibility of millimeter-wave vector modulator used in satellite millimeter-wave active phased array antenna.

spacecraft；millimeter-wave；vector modulator；active phased arrayantenna

TN82

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.010

2015-01-07；

2015-05-07

国家重大科技专项工程

薛欣，男，工程师，从事星载有源相控阵天线设计工作。Email：xuxwindy@163.com。