高可靠低功耗Ka频段星载有源相控阵冗余备份技术*

姚亚利

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引 言

从1964年在美国成立国际通信卫星组织INTELSAT并于次年发射第一颗商用通信卫星“Early Bird”以来，卫星通信技术及其应用蓬勃发展，目前已经在军事、民用、商用等领域得到了广泛应用。

就通信卫星而言，星载天线是卫星有效载荷的重要组成部分，对整个卫星通信系统的性能有着重要影响[1]。卫星天线用于对特定的目标或地域发射或接收载有各种信息的信号，当需要卫星交换信息的目标是可变的时候往往要求天线的波束也做相应的变化[2]。相控阵天线因其具有辐射能力强、电扫描、波束捷变、多波束等特点[3-5]，能够充分提升卫星对地视场广域范围内大规模分散用户、快速机动用户的按需通信保障能力，提升卫星多用户保障能力以及通信容量，近年来已经被应用于高、低轨卫星通信系统，包括移动/窄带、宽带、防护、中继等卫星通信领域[4,6]。

在一般的装备的设计中，可靠性已成为与性能同等重要的设计要求，是装备设计工程的重要组成部分[7]。而星载产品工作于恶劣的太空环境中，长期遭受宇宙射线、高能粒子、大范围温度变化等影响，为了能够在空间环境中长期可靠地工作，星载产品除了关注性能指标外，可靠性也尤为重要。产品的可靠性是产品固有的特性，是产品设计所赋予的，所以将可靠性设计真正融合、溶化于产品的设计和研制生产过程是保证卫星高可靠性、长寿命的前提[7]。

备份冗余设计是提高星载产品可靠性最常用的方法之一，这种设计的基本思想是正常使用主路模块时备份模块关闭，当主路模块发生意外功能失效时则启用备份电路模块。对系统或单机中的“单点”电路进行备份冗余设计是十分有效的，可以有效提高产品可靠性。

星载有源相控阵为特殊的阵列天线，其中，天线阵面和TR组件都是由多个独立通道组成的，本身自带冗余设计属性，容许有一定的通道失效率，即少部分通道失效后，系统功能和任务仍然可以完成；而星载相控阵中的上/下变频通道为“单点”电路，一般需要备份冗余设计。

在星载产品中，最常用来切换主备电路的器件是射频开关[8-9]，也有大量的文献对开关的可靠性和环境适应性进行了研究[10-12]。文献[13]中讨论了铁氧体/机械开关、固态开关(PIN开关和FET开关)和微机械(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)开关的工作机理、各项技术指标以及优缺点。其中，机械开关、铁氧体开关体积较大，与单片毫米波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)组合困难，并不适用于高集成度的毫米波相控阵天线；而固态开关和MEMS开关均需要额外的驱动电路，这无疑增加了系统的功耗及电路复杂度。

相比有源器件，无源器件不需要额外的驱动电路，因而电路更简单，可靠性更高，不消耗系统额外的功率。本文提出了用一分二功分器和分支线电桥用于冗余备份的方式，从理论上对两者进行了对比。对比结果说明采用电桥对信道输出功率的要求降低，使系统具有功耗、热耗优势。最终选择了电桥用于星载有源相控阵上变频模块的备份，并将分支线电桥集成于波束形成网络，介绍了“电桥+网络”模块的研制过程，给出了该模块的仿真结果、实物图片和测试结果等。

1 星载有源相控阵

1.1 系统架构

星载有源相控阵天线由天线阵面、TR组件、波束形成网络、变频模块、频综、电源模块、波控器等组成，其组成框图如图1所示。

图1 星载有源相控阵组成框图

以发射链路为例，中频信号经上变频[14]后，由波束形成网络分配至各TR组件，再经TR组件移相、放大后送入天线阵面中各个单元，最终向指定的方向辐射信号。发射天线要实现一定的等效全向辐射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP),而链路中的功率放大器芯片效率往往有限，因此相较接收天线需要消耗更多的功耗，热耗也更大。星载平台空间有限，工作环境相对恶劣，更要慎重考虑功耗、热耗与体积之间的平衡。

1.2 冗余备份

由于其特殊的应用平台和环境，星载产品中重要的、相对高失效率的单点电路往往需要备份。

如图1所示，有源相控阵中有多个射频通道和辐射单元，个别TR组件产生故障只会导致天线性能的缓慢而有限下降，而其中的变频模块则不然。由于器件的输出功率水平有限，各级传输线的损耗，以及链路稳定性、平坦度、线性度的要求，变频模块必须设计成多个中等增益放大器级联，边衰减边放大，所以整个链路效率低。而末级功放需要输出的信号功率为26 dBmW，根据整机热仿真结果，该功放芯片结温高达93.6℃，达不到I级降额要求，可靠性降低，本身属于相对高失效率的单点模块。唯一的变频通道若失效，则会导致整个相控阵天线失效，所以必须对其进行备份。

在星载产品中，最常用来切换主备电路的器件是射频开关。毫米波相控阵具有集成度高等特点，机械开关、铁氧体开关体积较大，显然难以集成；而固态开关和MEMS开关均需要额外的驱动电路，这无疑增加了系统的功耗及电路复杂度。

相比有源器件，无源器件不需要额外的驱动电路，因而电路更简单,可靠性更高,不消耗系统额外的功率，所以用无源器件来替代开关用于主备切换十分必要。由图2可知，至少需要一个三端口或更多端口器件来互联波束形成网络(可拆分)、主路变频、备份变频。以一分N端口的波束形成网络为例，三端口器件可用一分二功分器，波束形成网络与无备份时相同，备份原理框图如图2(a)所示；四端口器件可用分支线电桥，波束形成网络须拆分为两个，且TR组件中一半通道的移相器须补偿90°相移，备份原理框图如图2(b)所示。后文从多端口网络的S参数理论比较了两种无源器件用作冗余备份时的优缺点。

图2 用无源器件备份原理框图

2 两种无源器件对比

2.1 S参数及链路损耗对比[15]

以理想的一分二威尔金森功分器为例，威尔金森等效传输线电路如图3所示。

图3 威尔金森功分器等效传输线电路

从端口1输入的功率对等的分配给端口2和端口3，其[S]矩阵如下：

(1)

从散射矩阵中可以看出，信号从端口2传输至端口1时，功率降低一半，对应图2(a)可知，信号从主/备变频输出端经一分二功分器后功率损失一半，相应地，系统指标EIRP也将降低3 dB。也就是说，若要实现相同的系统EIRP，发射功率必须增大一倍，或阵面规模必须扩大一倍，这样是需要以增加系统功耗或尺寸为代价的。

3 dB电桥是通信系统中常用的无源器件，尤其是在射频、微波电路与系统中应用广泛[16]，例如功率信号的分路与合成，用来作为系统中的加法器和减法器，以及结合其他器件构成反射型移相器等[17]。分支线3 dB电桥的原理图如图4所示。

图4 分支线3 dB电桥原理图

从端口1输入的功率对等的分配给端口2和端口3，这两个输出端口之间有90°相移，没有功率耦合到端口4(隔离端)。其[S]矩阵如下[18]：

(2)

在电桥中，从端口1输入的功率也是对等的分配给端口2和端口3，但是，对应图2(a)可知，信号从主/备变频输出端经电桥后，对等分配的两路信号全部进入了波束形成网络，进而输入至TR组件，再通过天线阵面辐射出去。与前面的一份二功分器方案相比，显然没有3 dB的功率损失，对系统的功耗和尺寸影响降到了最低。

2.2 可靠性对比

使用芯片开关、功分器、电桥三种方案备份的信道可靠性预计对比如表1所示。

表1 可靠性预计对比

从表1可以看出，使用芯片开关的可靠性明显低于功分器和电桥两种无源方案，其中电桥方案的可靠性最高。

2.3 对比小结

根据前面对功分器和电桥两种无源器件备份方案的对比分析可知，在保证高可靠性的同时，电桥不会造成额外的功率损失，具有较大优势，因此设计了一个分支线电桥和波束形成网络集成与一体的模块，用于星载有源相控阵中变频模块的备份。

3 波束形成网络研制

在本方案中，由于星载相控阵系统结构的体积、重量、安装方式受限，而微带线具有加工简单、体积小、重量轻、带宽适中、易于集成等优点，因此波束形成网络采用微带线方案。该方案体积最小且易于焊接。

3.1 仿真设计

以一分二功分器单元和电桥为基础，构成波束形成网络，仿真模型如图5所示。

图5 波束形成网络仿真模型

采用HFSS对以上模型进行全波仿真，仿真结果如图6所示。

(a)电压驻波比随频率变化曲线

(b)传输系数幅度随频率变化曲线

(c)传输系数相位随频率变化曲线图6 波束形成网络仿真结果

波束形成网络仿真结果统计如表2所示，其中相位一致性已扣除90°相位差。

表2 波束形成网络仿真结果

从图6和表2可见，在工作频段23.5～25 GHz内，波束形成网络的测试驻波比小于1.29，均方根幅度一致性小于0.21 dB,均方根相位一致性小于0.6°，损耗(含分配损耗)小于16.25 dB(即插入损耗小于1.15 dB)。

3.2 测试结果

以一分二功分器单元和电桥为基础，构成波束形成网络，接口形式为SMP，通过SMP-KK与TR组件相连接。为了减小焊接空洞率和保证SMP连接器焊接良好，设计加工了专用焊接工装对印制板和连接器进行焊接。波束形成网络实物照片如图7所示。

用矢量网络分析仪对波束形成网络进行测试，结果如图8所示。图8(a)和图8(b)分别给出了分别从3 dB电桥的两个端口输入信号时的测试结果，测试结果包含端口驻波比、传输系数幅度、传输系数相位等指标。

(a)左端口输入信号测试结果

(b)右端口输入信号测试结果

波束形成网络测试结果总结如表3所示,其中相位一致性已扣除90°相位差。

表3 波束形成网络测试结果

从图8和表3中的测试结果可见，在工作频段23.5～25 GHz内，波束形成网络的测试驻波比小于1.8，均方根幅度一致性小于0.4 dB,均方根相位一致性小于4.8°，损耗(含分配损耗)小于17.7 dB(即插入损耗小于2.6 dB)。由于加工、焊接等带来的误差，实测结果与仿真结果略不一致，但各项性能仍然良好，可完成星载相控阵中的功率分配和变频模块备份功能。

4 结 论

本文提出将电桥集成于原有的波束形成网络来对Ka频段星载有源相控阵中的变频模块进行冷备份。基于这个出发点，设计并研制了集成电桥的波束形成网络。在工作频段23.5～25 GHz内，该网络的测试驻波比小于1.8，均方根幅度一致性小于0.4 dB,均方根相位一致性小于4.8°，插入损耗小于2.6 dB。相比使用开关等有源器件，这是一种更简单、高可靠、低功耗的冗余备份技术，非常适用于星载有源相控阵。