一种应用于海上浮标的相控阵卫星通信前端

谌德军，梁显锋，饶 浩，安军社

（1.中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100190）

0 引 言

海上浮标作为一种经济适用的海洋监测设备，能长时间在海上搜集水下信息，完成远海数据传输任务[1⁃3]。浮标水下载荷采集到的数据经编码、调制后，通过卫星通信前端放大、滤波并传输给中继卫星，再由中继卫星传回到地面站，此通信链路为返向链路。地面站的远程指令经中继卫星传输给浮标，卫星通信前端将接收到的指令信号进行滤波、放大，然后输出到中继通信机做进一步处理，此通信链路为前向链路。笔者所在团队前期研制了一款应用于海上浮标的卫星通信系统[4]，其通信前端采用固态功率放大器与机械扫描天线相结合的方式。在高海况条件下，多次出现地面站接收数据丢包，甚至返向链路通信中断的问题。机械扫描天线受限于伺服转台的转速[5]，难以在复杂海况下实时捕获跟踪卫星信号。此外，伺服电机长时间运转会导致转轴磨损，可靠性降低。

针对上述问题，本文研发了一款小型化、低成本和高可靠的相控阵卫星通信前端。采用有源相控阵天线取代固态功率放大器和机械扫描天线，利用相控阵天线的电扫描特性[6]，在复杂海况下快速捕获跟踪卫星信号，建立稳定的卫星通信链路。本文介绍了相控阵卫星通信前端的系统设计方案，阐述了通信前端的实现技术，并给出了测试结果。

1 系统方案

1.1 特性分析

为避免相控阵天线在波束扫描范围内出现栅瓣，天线阵元间距须满足：

式中：d x和d y分别为相控阵天线x方向和y方向的阵元间距；λmin为天线频带内的最小工作波长；θmax为波束最大扫描角。当θmax=60°时，d x≤70.5 mm，d y≤70.5 mm。综合考虑天线效率和工程化实现，选取d x=d y=70 mm。

相控阵天线需安装在Φ520 mm的天线罩内，若采用6×6矩形阵列布阵，天线口径为594 mm，超出了天线罩的内径。因此去掉四个角的阵元，留出适当空间安装GPS天线，此时天线口径为505 mm，满足安装尺寸要求，天线阵元数确定为32。

1.2 实现方案

S频段相控阵卫星通信前端系统框图如图1所示，主要包括32阵元阵列天线、32通道TR组件、32路功分馈电网络、波束控制处理系统以及二次电源变换电路。

图1 32阵元相控阵卫星通信前端系统框图

为实现卫星通信前端的小型化，阵面天线采用微带天线进行设计。卫星通信前端在向卫星发射信号的同时，也在接收卫星下传的信号，为全双工通信系统，需考虑接收信号与发射信号之间的相互干扰。发射通道输出端和接收通道输入端滤波器均采用腔体滤波器结构，能有效抑制功率放大器输出谐波以及带外调制频谱，避免发射信号泄露对接收通道产生干扰。波束控制系统控制TR子单元中的多功能芯片，完成收发信号的相位和幅度调节，获得理想的空间合成波束。二次电源变换模块将外来24 V一次电压转换为TR组件和波束控制系统所需的工作电压。TR组件与微带天线通过SSMP连接器实现射频信号的垂直互连[7⁃8]，各模块以叠层形式实现物理互连，外壳采用高导热性金属复合材料，整机通过金属支架与天线罩金属底座相连，实现良好散热。

2 关键技术实现

2.1 TR组件设计

为实现TR组件的小型化，发射单元和接收单元均采用多芯片集成套片的设计方案。将发射子单元的多功能芯片、温补衰减器、驱动放大器以及末级放大器集成为一个套片；将接收子单元的低噪声放大器、温补衰减器以及多功能芯片集成为一个套片。简化了外围电路，减少了电路面积，并优先采用国产射频芯片进行设计，降低了成本。

2.1.1 发射子单元集成化设计

一组发射组件包括4个发射子单元，发射子单元主要由四功分器、多功能芯片、增益放大器、功率放大器以及腔体滤波器组成。组件将输入射频信号通过增益放大器放大后输入四功分器，再由四功分器将射频信号分配于各个发射子单元中，射频信号在子单元中经多功能芯片移相调幅，并由驱动放大器以及功率放大器放大后，最终由腔体滤波器滤波后通过天线发射出去。发射链路结构如图2所示，指标分配表见表1。

图2 发射链路结构图

表1 发射链路指标分配表

图2 中的π形衰减器起到级间匹配的作用，改善功分网络的输入输出驻波。温补衰减器用于补偿信号因温度变化引起的幅值偏移。末级功放采用GaAs器件，饱和输出功率为29.5 dBm，链路设计中将末级功放推至饱和状态。腔体滤波器的带外抑制度优于-70 dBc，能有效抑制输出谐波信号。

2.1.2 接收子单元集成化设计

一组接收组件包括4个接收子单元。接收子单元主要由腔体滤波器、低噪声放大器、多功能芯片以及四功分器组成。组件将输入射频信号通过腔体滤波器滤波后送入低噪声放大器，放大后经声表滤波器送入四功分器，再由四功分器合路，合路后再由两级低噪声放大器放大后输入八功分器，八功分网络合成后由射频公共口输出。接收链路结构如图3所示，指标分配表见表2。

图3 接收链路结构图

表2 接收链路指标分配表 dB

接收链路中π形衰减器与温补衰减器的作用与发射链路相同。腔体滤波器的带外抑制度优于-70 dBc，能有效抑制发射信号，避免发射信号对接收链路产生干扰。根据式（2）可得[9]，接收链路的噪声系数约为2.1 dB，链路增益为30 dB。

式中：F i为接收链路各级噪声系数；G i为接收链路各级增益。

2.2 微带天线设计

为满足系统200 MHz的带宽要求，采用双层微带天线形式设计，可有效拓展天线带宽。天线辐射单元采用双极化馈电，天线通过极化电桥实现双圆极化。这种形式天线的辐射单元和极化电桥能够实现有效隔离，扫描过程中天线单元之间的互耦对TR组件影响较小，可以有效提高辐射效率，适合形成大规模阵列。通过内置空腔和组合贴片等方法可以获得足够的带宽和增益指标。阵面天线采用6×6矩形切角阵列（共32单元）进行设计，同时在阵面旁放置GPS天线，仿真模型如图4所示。阵列天线扫描角度增益如表3所示。

图4 天线阵面仿真模型

表3 阵列天线扫描增益 dB

2.3 波控系统设计

波束控制电路的核心芯片为CLPD和FPGA芯片，采用1片FPGA芯片和3片CLPD芯片控制32个TR子单元。相控阵天线在捕获跟踪卫星信号时，GPS/AHRS组合导航系统将实时获取的天线位置以及姿态信息通过FPGA解算单元进行坐标解算，计算出相控阵坐标系下的波束指向方位角。解算单元将波束指向方位角传输给波束控制单元，获取FLASH存储器中各阵元在阵面坐标系下的坐标和校正码。根据式（2）计算出各阵元所需的移相值，将各阵元的移相值转化成对应的相位控制码，相位控制码与校准码组合形成波束控制字，通过FPGA的SPI串口传输给CPLD进行串并转换，再下发给各阵元的多功能芯片，控制波束对准卫星。

式中：X i为第i阵元中心的横坐标；Y i为第i阵元中心的纵坐标；φ为合成波束扫描方位角；θ为合成波束扫描俯仰角；λ为发射或接收信号的波长。

这种基于FPGA的波束控制系统具有算法简单、运算速度快的优点，可缩短天线波束指向卫星的时间。相较传统基于信标的波束跟踪方法[10]，这种方法对卫星信号的捕获跟踪时间更短，卫星通信链路更可靠。

3 天线测试

3.1 校准测试

有源相控阵天线有32个阵元，各阵元模拟器件的幅相误差相互叠加，会导致天线各阵元间的幅相一致性变差。通过暗室校准测得各阵元间的幅相误差，并通过移相衰减多功能芯片进行补偿，可使天线各阵元的幅相一致性优化，压低旁瓣，提高波束的指向精度，优化天线的性能[11⁃12]。考虑工程实现的复杂度与测试精度，采用中场校准法进行校准测试。为减小校准误差，采用多次校准取平均值的方法。

测试链路连接示意图如图5所示。

图5 校准测试链路图

通过移动探头完成32阵元的初始幅度和相位测试后，以幅度最小、相位最超前的阵元为基准，生成校准表，将校准表导入FLASH中。FPGA波控程序调用校准表，通过多功能芯片对各阵元进行幅度、相位补偿，使各阵元幅度、相位近似相等。

多功能芯片的衰减位数为4位，步进为0.5 dB，阵元最大衰减值为0.5×( 24-1 )=7.5 dB。各阵元的幅度补偿原则如下：

式中：i为阵元编号；φfeed(i)为第i阵元实际衰减值；φ(i)为第i阵元测试幅度平均值；min(φ)为各阵元中幅度最小值；round函数用于四舍五入取整。当所需衰减值超过7.5 dB，则取7.5 dB。

多功能芯片的移相位数为6位，步进为5.625 dB，阵元最大移相值为5.625×( 26-1 )=354.375 dB。各阵元的相位补偿原则为：

式中：i为阵元编号；αfeed(i)为第i阵元实际移相值（单位：（°））；α(i)为第i阵元测试相位平均值；min(α)为各阵元中相位最小值；round函数用于四舍五入取整。

多功能芯片的数字移相、衰减功能存在量化特性，实际移相与衰减值和所需值不同，会引入量化误差。由式（4）和式（5）可知，衰减量化误差≤0.25 dB，移相量化误差≤2.8°。在各阵元相位和幅度量化误差呈均匀分布的情况下，有无量化误差时阵列法向方向图的仿真结果对比如图6所示。两种情形下的阵列法向方向图基本重合，校准过程中存在的量化误差对天线方向图影响甚小。

图6 有无量化误差的阵列方向图对比

3.2 性能测试

采用球面近场测试方法完成天线方向图扫描[13]。为对比校准前后的方向图特性，在初始状态的方向图测试完毕后，利用波控上位机软件导入校准表，测试导入校准表后的天线方向图。发射与接收校准前后辐射性能如表4和表5所示。

表5 接收方向图俯仰45°，方位0°辐射特性对比

由表4和表5数据可知，天线校准后，方向系数有所改善，旁瓣抑制度增大，主瓣波束宽度变窄，方向性变好。

4 试验结果

应用于海上浮标的相控阵卫星通信前端实物图如图7 所示，其关键性能指标如表6所示。

图7 S频段相控阵卫星通信前端实物

表6 相控阵卫星通信前端关键指标

由表6可知，相控阵卫星通信前端性能指标满足设计要求。在北京地面站完成对星试验后，随试验船去南海进行海试，完成了四级海况下浮标到地面站1 Mb/s高速率的实时数据传输试验，同时实现了地面站对浮标的实时远程指令控制。试验期间，地面站接收到的返向链路信号信噪比在11~14.5 dB之间浮动，比所需门限值高出3 dB以上，通信链路传输误码率小于10-5，满足实际应用需求。地面站实测某段时间的返向累计误码率如图8所示。

图8 返向链路累计误码率

5 结 语

本文设计了一种应用于海上浮标的相控阵卫星通信前端。采用多芯片集成套片技术提高了TR组件的集成度，采用双层微带结构提高了天线的带宽和增益，采用基于FPGA的波控算法实现了卫星信号的快速跟踪。实测相控阵天线整机满足设计指标要求，利用我国现有中继卫星资源，完成了海上浮标到地面站之间的实时通信试验。试验结果表明，该相控阵卫星通信前端具有小型化、低成本和高可靠的优点，能满足海上浮标在复杂海况下与地面站进行可靠通信的应用需求。