基于星载平台的收发前端组件研制

中国电子科技集团第三十八研究所　张先明　刘秉策

基于星载平台的收发前端组件研制

中国电子科技集团第三十八研究所张先明刘秉策

针对应用于星载平台的DBF收发前端需求，提出了一种收发前端组件设计思路、实现方法、环境可靠性设计，仿真优化了组件性能参数，实测结果与仿真设计基本吻合。实测结果表明设计的收发前端组件具有收发高隔离度、高增益、低噪声系数等特性，各项指标均满足要求。

星载收发前端；双工器；低噪声放大器；可靠性设计

0.引言

星载雷达具有全天候、全天时的观测能力，监视范围大，观察目标种类多，能从空中对海地空目标进行大范围高分辨率监视侦察跟踪，完成高速数据转发和测控任务等特点，因此国外主要发达国家对星载雷达的研发非常重视［1］。随着数字技术的高速发展，数字波束形成（DBF）技术也广泛运用于星载雷达，DBF技术其基本原理是将各天线阵列单元接收到的射频回波信号，无失真地变频成中频信号，再变换成数字信号，然后在高速数字波束形成计算机中进行加权和视频数字全程处理，以形成所需的灵活、高质量接收波束，具有扫描快速灵活，分辨率高，抗干扰和杂波性能优良等优点［2］。由于星载雷达所处空间环境的特殊性和寿命长、可靠性高、体积小、重量轻等要求，因此基于星载平台的DBF体制收发前端组件研制需要优化性能指标的同时，必须考虑环境适应性设计。

本文设计的基于星载平台的DBF体制收发前端组件收发通道同时工作，采用收发异频解决收发干扰。组件由双工器模块和低噪声放大器模块构成，主要负责前向对发射信号滤波；返向接收天线回波信号，同时低噪声放大后送入后端的变频单元，使前、返向接收链路共用天线，减少体积、重量。根据研制要求，基于星载平台的收发前端组件的基本设计思路如下：（1）使前向发射滤波、返向接收链路共用天线完成收发任务，采用收发异频解决收发干扰，使用双工器提供收发信号充分的频率抑制与隔离；（2）提高单机抗干扰的能力，必须提高单机中滤波器的带外抑制度，使放大器完全处于线性工作区域。（3）模块输入端、输出端采用同轴微带隔离器来满足驻波指标要求，同时以实现电路的良好匹配和防止自激以及通道输入、输出保护。（4）环境适应性设计，通过热设计、电磁兼容设计、结构设计等满足星载环境下长期可靠工作。

1.收发前端组件的设计

收发前端组件结构如图1所示。考虑星载平台对组件稳定性和可靠性的要求，收发前端组件设计由双工器模块和低噪声放大器模块构成。双工器模块包含两路相同的双工器；低噪声放大模块包括两个相同低噪声放大器和电源滤波电路。两类模块分别含有两个通道，共同构成单机的两个收发前端通道，两个通道可以互为备份。系统收发同时工作，采用收发异频解决收发干扰，发射通道输出端需要滤波器，有效控制接收频段噪声能量辐射到空间，影响接收灵敏度，同时接收通道的输入口设计滤波器，控制发射频段的信号进入，堵塞接收通道。

双工放大器模块具备收发通道的频率选择性，对收发具有滤波隔离功能，对前向发射信号滤波抑制与隔离，对返向链路将回波信号送入低噪声放大器模块。低噪声放大器模块完成对双工器送入的回波信号低噪声放大，滤波后再送入前端变频器。

图1　收发前端组件组成框图

图2　双工器电路拓扑图

图3　双工器收发传输特性曲线

1.1 双工器设计

收发信号采用异频工作，双工器需要对前向发射信号滤波、接收返向回波天线信号，提供收发通道间充分的频率抑制与隔离，使收发共用天线。方案中滤波器采用同轴腔谐振器，体积小、重量轻、Q值高，对杂波有较好的抑制。使用仿真软件建立双工器的电路拓扑图如图2所示。

经过仿真优化可以得到双工器收发频率的传输滤波隔离特性、损耗、驻波特性等，如图3所示。从图3（a）可以看出，双工器发射时对接收频率f0MHz的抑制为103dB；接收时对发射频率f1MHz的抑制为107dB；在发射中心频率f1±3.2MHz的带宽内，双工器发射的损耗最大为0.47dB，带内起伏约为0.03dB；在接收中心频率f0±3.2MHz的带宽内，双工器接收的损耗最大为0.51dB，带内起伏约为0.05dB。从图3（b）可以看出，双工器的收发的反射损耗约为-26.9dB，对应的驻波比为1.10。

另外，在温度变化时，谐振腔的谐振频率产生变化，使双工器性能变差。因此为了克服温度变化带来的不利影响，滤波器中谐振器的内导体及调谐部分采用热胀系数小的殷钢材料，而壳体采用铝材料，从而使滤波器进行温度补偿，满足电性能指标的同时，尽可能的减少重量。进行优化补偿后，仿真得到谐振器谐振频率随温度变化的温度系数约为4ppm/℃，这样工作环境温度变化带来的谐振频率的改变对滤波器工作通带的影响基本可以忽略。

1.2低噪声放大器模块设计

双工器模块将天线接收的回波信号滤波隔离后送入低噪声放大器模块，低噪声放大、滤波后再送入前端变频器处理。低噪声放大器的通道级联系统噪声系数的公式为［3］：

NFi是接收通道第i级放大器的噪声系数，Gi是接收通道中第i级放大器的增益，因此决定通道噪声系数的将是第一级放大器的噪声系数。

为了满足组件各方面电性能指标要求，对低噪声放大器单元电路进行仿真优化设计，仿真电路拓扑图如图4所示。低噪声放大器单元包含2个隔离器，放置于整个射频通道的输入口和输出口，用于通道输入、输出隔离保护；两级低噪声放大器降低噪声系数；使用3dB电阻衰减网络器，主要用于级联低噪声放大器与滤波器间的驻波改善、增加放大器间的隔离；采用两级介质滤波器，提高单机抗过载能力，满足收发前端组件指标要求。

图4　低噪声放大器单元电路拓扑图

图5　低噪声放大器模块传输特性曲线

经过ADS仿真可以得到低噪声放大器单元增益、噪声系数等特性曲线，分别如图5所示。从图5可以看出，低噪声放大器单元在接收通道频率f0±3MHz的增益约为40.7dB，带内起伏0.2dB，噪声系数小于1.6dB，满足技术指标要求。

1.3幅相一致性设计

针对星载平台的DBF体制收发前端设计，通道之间幅相一致性和稳定性设计是非常重要的，因为它不但影响数字波束形成的副瓣电平，还影响到波束指向精度。影响多路收发前端幅相一致性的因素主要有元器件的离散性、加工、工艺装配精度的不一致及电路优化调试不一致性等。设计中采用了如下措施：提高电路的集成度，减少分离元器件数量；保证关键器件双工器和低噪声放大器单元本身的幅相一致性；微带介质板选用介电常数一致性较好的同一批次产品；提高数控加工精度，保证微带板加工一致性；低噪声放大器单元内两级低噪声放大器之间使用3dB以上衰减器改善驻波比；优化电路设计、元器件布局，减少微带线的弯折、跳变等不连续性，避免相互影响和微带传输线间的相互耦合；选用加工性能良好的金属材料作为壳体材料；表贴器件使用回流焊工艺；电装时同一器件必须由同一人装配，避免电装的不一致性［4］。

2.环境适应性设计

为了满足收发前端组件在星载环境下长期可靠工作，保证环境可靠性设计指标的余量，具体措施包括简化设计、继承性和“三化”设计、元器件选用、冗余和容错设计、耐环境设计、余量和降额设计和环境试验等。合理的结构设计是非常必要的，结构设计主要考虑满足电性能要求和结构件的机械性能满足星上力学要求；同时还要考虑整机的机械强度、各电路模块之间的电磁兼容性、各模块安装及电装散热特性能、重量以及输入输出接口关系等方面［5］。具体设计原则包括：（1）优化构型设计，缩小体积、减轻重量，满足卫星平台对设备的尺寸和重量的苛刻要求；（2）提高设备结构刚、强度，以达到承受各种恶劣力学环境，特别是发射阶段的冲击、振动等环境；（3）星内电子设备严格按照航天电子设备结构构型，从力学加固、热设计、EMC、抗辐射、可靠性、安全性、布局及综合布线等方面进行工程优化设计，提高可靠性。

3.测试结果和结论

设计完成的收发前端组件外形如图6所示。

图6　收发前端组件外形图

根据实物测试，收发前端组件技术指标如：

（1）通道间射频隔离度：≥70dB；

（2）带外抑制（发射、接收）：≥80dB；

（3）接收通道增益：40dB±0.5dB；

（4）噪声系数：接收通道噪声系数≤1.6dB；

（5）单个收发前端组件带内群时延特性起伏：≤3ns。

收发前端组件实物外形图如图6所示，根据环境适应性和可靠性设计原则，满足单机的输入输出、散热、安装空间、屏蔽和防干扰等

要求，收发前端组件由两个独立的双工器模块、低噪声放大器模块通过立式拼装组合而成，两个模块之间用螺栓互相连接。单机通过每个模块的支耳固定在卫星上，安装面也是单机的导热面。射频接口排布在单机的侧面，低频接口排布在单机上面。实物测试结果表明，两通道间隔离度大于70dB，收发通道带外抑制都大于80dB，接收通道增益40dB±0.5dB，噪声系数小于1.6，组件的各项技术指标均满足项目指标需求，与仿真设计基本吻合，达到仿真优化设计效果。

4.结束语

本文介绍了一种应用于星载平台的收发前端组件的组成及工作原理，收发信号采用异频工作，解决收发干扰，使前向和返向链路共用天线完成同时收发任务。给出了设计思路，仿真优化设计了双工器模块和低噪声放大器单元的性能参数，指导前端组件设计；测试结果与仿真设计基本一致，满足项目指标需求。本收发前端组件的成功设计与实现，具有一定的工程应用价值。

［1］曹剑，王炳如，王昀，张光义.国外天基雷达的发展趋势［J］.电子工程师，2005，31（5）：1-4.

［2］梁广，龚文斌，刘会杰等.星载多波束发射阵列天线多通道数字上变频设计［J］.宇航学报，2006，30（06）：2270-2275.

［3］弋稳.雷达接收机技术［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［4］于涛.T/R组件幅相一致性研究［D］.电子科技大学，2008.

［5］周冠杰，赵玉洁.星载雷达结构设计的特点［J］.2008，24（2）：35-40

Design of a Satellite-borne Transceiver Front-End

Zhang xian-ming，Liu Bing-ce
（China Electronics Technology Group Corporation NO.38 Research Institute）

A transceiver front-end of digital beam-forming is presented for the demand of applied in the Satellite-borne environment.The design scheme and realization method are introduced in detail.We designed the simulation and optimization of component performance parameters.The test results showed that the transceiver front-end component has characteristics of high isolation，high gain，low noise figure to meet the requirements.

Transceiver front-end；Duplexer；Low-noise amplifier；Reliability design