平面一體化集成Ka頻段衛(wèi)星通信終端ODU設(shè)計(jì)

楊 萍

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

近年來,隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展,小型衛(wèi)星地面站(VSAT)天線口徑小、結(jié)構(gòu)緊湊、固體化、安裝方便、對(duì)使用環(huán)境要求不高和組網(wǎng)靈活等特點(diǎn),給人們的工作和生活帶來了極大的便利,越來越受到人們的青睞,同時(shí)對(duì)VSAT的輕小型化也提出了較高的要求。

室外單元(Outdoor Unit,ODU)作為VSAT的重要組成部分,其輕小型化和低功耗設(shè)計(jì)尤為重要。室外單元主要包括固態(tài)功放(SSPA)、低噪聲放大—變頻組件(LNC)、上變頻組件等,其主要作用是完成信號(hào)的變頻、濾波以及放大。

現(xiàn)在,VSAT的主要工作頻率是C頻段和Ku頻段,但是該頻段的工作帶寬和速率的需求已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足人們的使用需求,所以Ka頻段通信在VSAT通信中具有更大的吸引力。同微波頻段相比,它更有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。

毫米波通信系統(tǒng)已經(jīng)成為許多發(fā)達(dá)國家寬帶無線通信產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù),在國外毫米波系統(tǒng)中,Ka頻段在VAST上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

國內(nèi)毫米波通信系統(tǒng),特別是Ka頻段的應(yīng)用,起步較晚,與國外同類產(chǎn)品相比還有差距,但是相關(guān)的工作已經(jīng)逐步展開。

本文介紹了平面一體化集成Ka頻段衛(wèi)星通信終端室外單元(ODU),該設(shè)備特別適合于對(duì)輕小型化和低功耗有要求的衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用。本設(shè)備的平面一體化集成設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于平面電路一體化設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)、水密設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

2 ODU電路設(shè)計(jì)

2.1 電路工作原理

ODU主要由RF電路、本振電路、監(jiān)控和DC/DC電路等組成,組成框圖如圖1所示。其工作原理是:中頻信號(hào)經(jīng)分路器和上變頻電路變頻至Ka頻段,再經(jīng)功放產(chǎn)生發(fā)射功率輸出至天線;來自接收天線的信號(hào),經(jīng)發(fā)阻濾波器、低噪聲放大、鏡頻濾波和混頻后,變?yōu)橹蓄l信號(hào),然后經(jīng)分路器輸出。

圖1 ODU組成框圖Fig.1 Block diagram of ODU

RF電路包括上變頻電路和下變頻電路兩部分:上變頻電路主要包括混頻器、驅(qū)動(dòng)放大器、射頻濾波器、末級(jí)功率放大器、波導(dǎo)微帶過渡等;下變頻電路主要包括低噪聲放大器、混頻器、射頻濾波器和中頻放大器等。

末級(jí)功放采用單片集成固態(tài)功放,通過合理地散熱,保證功放長期可靠工作。

為達(dá)到良好的噪聲系數(shù),對(duì)波導(dǎo)微帶探針過渡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[2],其插入損耗可低于0.2 dB。第一級(jí)放大器的噪聲系數(shù)基本上就決定了整機(jī)的噪聲系數(shù),因此第一級(jí)低噪放器件的選擇尤為重要。由于現(xiàn)有的MMIC芯片滿足不了噪聲系數(shù)的要求,所以我們選用合適的管芯,并對(duì)它做了最佳噪聲匹配的設(shè)計(jì)。所選用的器件指標(biāo)是:第一級(jí)放大器噪聲系數(shù)1.6 dB,增益15 dB;第二級(jí)放大器噪聲系數(shù)2 dB,增益20dB;第三級(jí)放大器噪聲系數(shù)2 dB,增益15 dB。第一級(jí)放大器經(jīng)最佳噪聲系數(shù)匹配后,在所要求的頻段內(nèi)噪聲系數(shù)仿真結(jié)果均小于1.5 dB。

變頻混頻器采用諧波混頻器,它可以實(shí)現(xiàn)混頻分量中偶次組合波(包括本振和中頻偶次諧波)的良好抑制,一般可達(dá)60dB以上,同時(shí)降低了本振頻率。

收發(fā)分路器將主機(jī)通過兩根電纜饋入的收發(fā)復(fù)用信號(hào)用濾波器進(jìn)行分離。其中,收發(fā)直流電源信號(hào)分離后分別送到收發(fā)DC/DC變換電路,為設(shè)備中的有源器件提供穩(wěn)定直流電壓。

ODU對(duì)外接口簡單,共有4個(gè)接口:一個(gè)BJ320波導(dǎo)(發(fā)射)、一個(gè)BJ220波導(dǎo)(接收)、兩個(gè)N型頭接口。其中,一個(gè)N型接口用于接收中頻信號(hào)、參考信號(hào)和直流電源的復(fù)用,另外一個(gè)N型接口用于發(fā)射中頻信號(hào)、參考信號(hào)和直流電源的復(fù)用。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 ODU平面一體化集成技術(shù)

(1)RF電路一體化集成設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)RF電路平面一體化集成設(shè)計(jì),減少設(shè)備的體積重量,RF中所有的元件均采用表貼元件,所有電路均采用平面集成電路。

發(fā)阻濾波器、收發(fā)射頻濾波器均采用陶瓷基片薄膜或軟基片微帶濾波器,該濾波器具有體積小、低損耗、頻率選擇性好等特點(diǎn)。雖然較波導(dǎo)濾波器損耗略大,但是易于實(shí)現(xiàn)電路平面集成,有利于電路的小型化。

選擇合適的波導(dǎo)微帶探針過渡形式,既保證了良好的噪聲系數(shù)和電路布局的緊湊型,又易于設(shè)備的整體水密設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)。

(2)本振電路一體化集成設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)本振電路的集成化設(shè)計(jì),減少設(shè)備的體積、重量和功耗,采取了以下措施:用諧波混頻取代基波混頻,大大降低毫米波本振電路設(shè)計(jì)的難度和成本,降低電路對(duì)本振抑制度的要求,減小設(shè)備體積功耗,提高了設(shè)備的可靠性;選擇合理的倍頻鎖相方案,采用CRO加倍頻的方式取代體積和功耗都較大的DRO;用微帶濾波器取代本振電路中常用的腔體濾波器。

(3)監(jiān)控及DC/DC電路一體化集成設(shè)計(jì)

在射頻有源器件的選擇上,盡量采用供電電源電壓相近的器件,減少DC/DC的種類;用效率較高、體積較小的表貼的器件取代標(biāo)準(zhǔn)電源模塊,并且通過加強(qiáng)電源濾波,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的DC/DC變換,從而減小設(shè)備的體積和重量,增加設(shè)備的可靠性。

2.2.2 功放線性化技術(shù)

毫米波固態(tài)功率芯片的三階互調(diào)指標(biāo),不能滿足本設(shè)備所要求的技術(shù)指標(biāo)要求。若采用輸出功率更大的芯片或?qū)⒍鄠€(gè)芯片進(jìn)行功率合成提高輸出功率,再進(jìn)一步回退功率,可滿足三階互調(diào)指標(biāo)要求,但勢必會(huì)成倍增加體積重量功耗,這顯然不符合設(shè)備低功耗、輕小型化的設(shè)計(jì)原則;而采用功放線性化技術(shù),只需略微增加一點(diǎn)功耗,則可較大改善功放線性度,尤其是三階互調(diào)的指標(biāo)。

線性化技術(shù)的方案有很多,如:功率回退法、預(yù)失真[3]、負(fù)反饋、前饋[4]等。在本設(shè)備研制過程中,從技術(shù)指標(biāo)和設(shè)備平面一體集成化設(shè)計(jì)考慮,選用了預(yù)失真的方法。它具有電路尺寸小、穩(wěn)定度高的特點(diǎn),雖然其校準(zhǔn)精度不如前饋法和負(fù)反饋法,但卻更穩(wěn)定并且有著更寬的帶寬。

對(duì)功放芯片采用了預(yù)失真之后,發(fā)射鏈路的三階互調(diào)指標(biāo)顯著改善。未采用線性化技術(shù)時(shí),功放三階互調(diào)最差為-15 dBc;采用線性化技術(shù)后,功放三階互調(diào)最差為-22 dBc,三階互調(diào)改善了至少7 dB以上,滿足了系統(tǒng)指標(biāo)要求。

2.3 電磁兼容設(shè)計(jì)

設(shè)備中頻率種類較多,所以設(shè)備內(nèi)各功能電路之間的屏蔽就尤為重要。如果屏蔽不好就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)泄露,使得帶內(nèi)出現(xiàn)雜散和引起電路自激。為此,我們采取以下措施:

(1)各功能電路加強(qiáng)屏蔽,防止信號(hào)串?dāng)_;

(2)仿真優(yōu)化波導(dǎo)屏蔽腔尺寸,對(duì)射頻信號(hào)呈現(xiàn)波導(dǎo)傳輸截止?fàn)顟B(tài);

(3)保證腔體上下腔緊密接觸,防止信號(hào)泄露;

(4)各功能電路對(duì)輸入直流和低頻控制信號(hào)進(jìn)行充分濾波和隔離設(shè)計(jì),避免信號(hào)串?dāng)_;

(5)合理布局,避免電路環(huán)形布局,以免信號(hào)泄露造成電路自激。

3 ODU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ODU結(jié)構(gòu)采用上下腔設(shè)計(jì)技術(shù),上腔主要用于滿足電路的電磁兼容設(shè)計(jì),下腔主要用于布局電路。

上腔采用整腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取代傳統(tǒng)的分腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),即所有不同的功能電路都位于同一個(gè)腔體內(nèi),避免了高低頻插座和電纜的使用,減小了設(shè)備的線損,利于設(shè)備的平面集成一體化設(shè)計(jì),同時(shí)降低了設(shè)備的體積、重量和功耗,增加了設(shè)備的可靠性。

下腔在電路布局上采用雙面布局設(shè)計(jì)。RF電路、本振電路和分路器位于腔體正面,監(jiān)控及DC/DC電路位于腔體的背面,正反兩面電路通過絕緣子連接。所有腔體正面的基片安裝均采用直接焊接在腔體上的方式,避免了螺釘?shù)氖褂?毫米波芯片和表面貼裝器件用導(dǎo)電膠分別直接粘接在腔體和微帶線上。這樣使得電路布局更加緊湊,減少了螺釘?shù)膫€(gè)數(shù),降低了設(shè)備的體積、重量和功耗,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的輕小型化和低功耗。

依據(jù)下腔電路布局,把上腔分成多個(gè)屏蔽小腔。通過上下腔的緊密接觸,防止雜波信號(hào)的泄露,滿足設(shè)備的電磁兼容要求。

通過以上結(jié)構(gòu)措施,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的平面一體化集成。

設(shè)備要滿足浸漬實(shí)驗(yàn)要求,因此必須采用水密。由于整個(gè)設(shè)備具有對(duì)外接口簡單和平面集成一體化的特點(diǎn),非常有利于水密設(shè)計(jì)。通過下腔采用深腔設(shè)計(jì)、上下腔之間采用防水密封圈、防水接插件和在各波導(dǎo)接口加防水密封圈的措施可以達(dá)到水密的要求。

4 ODU熱管理設(shè)計(jì)

設(shè)備的水密結(jié)構(gòu)使得設(shè)備的散熱能力下降,必須通過合理的散熱措施保證設(shè)備連續(xù)工作的穩(wěn)定可靠性。

功率器件是多數(shù)電子設(shè)備中的關(guān)鍵器件,其工作狀態(tài)的好壞直接影響整機(jī)可靠性。功率芯片的性能受溫度影響很大,溫度過高將導(dǎo)致性能嚴(yán)重下降,主要表現(xiàn)為增益、輸出功率下降,同時(shí)還會(huì)縮短使用壽命,當(dāng)芯片結(jié)溫超過其典型值時(shí),每升高8℃,芯片平均失效時(shí)間將降低一倍,若結(jié)溫超過芯片所能承受最大范圍,芯片將短時(shí)間內(nèi)燒毀。

由于毫米波芯片的體積都十分小,散熱面積有限,熱量分布集中,同時(shí)受到制作工藝、技術(shù)手段等限制,目前毫米波單片放大器效率不高,特別是Ka頻段功放芯片,一般在15%以下,功耗較大。因此功放芯片必須有良好高效的散熱設(shè)計(jì)。

為了改善功放芯片的散熱,一般將器件與設(shè)備外殼之間用實(shí)體金屬作為傳熱體,并盡量減薄,縮短傳熱路徑。在本設(shè)備中,為了更好地散熱,直接把與功放器件對(duì)應(yīng)的設(shè)備外殼部分加工成散熱齒,并噴聚氨酯丙烯酸無光黑漆,以提高輻射能力。

在環(huán)境溫度為55℃時(shí),通過數(shù)值仿真得到末級(jí)功放芯片的安裝面的溫度為65.0℃。基座溫度仿真曲線見圖2。

圖2 基座溫度仿真曲線圖Fig.2 Computed temperature of the baseplate

假定熱量幾乎全部從安裝面?zhèn)髯叩那闆r下:末級(jí)功放的溝道溫度為(對(duì)應(yīng)的功放芯片溝道至基座熱阻為2.5 K/W,發(fā)熱量為16 W):65.0+2.5×16+1.5×16=129℃,低于芯片所允許的150℃的允許最高工作結(jié)溫,可保證功放及驅(qū)動(dòng)放大器在高溫環(huán)境下安全連續(xù)工作。

最后,設(shè)備通過了高溫環(huán)境實(shí)驗(yàn),證明熱設(shè)計(jì)是有效的。另外,為了防止超溫引起功放芯片的損壞,在監(jiān)控板中增加了功放超溫切斷電源的功能。采用這些措施后,可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)信機(jī)的良好散熱,保證設(shè)備在給定的溫度范圍內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定工作。

5 實(shí)物研制與測試結(jié)果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案,研制出了兩套設(shè)備,圖3為實(shí)物圖。其測試結(jié)果如下:

上行頻率:Ka頻段,帶寬1.6 GHz;

下行頻率:K頻段,帶寬1.6GHz;

中頻頻率:S頻段;

工作方式:連續(xù)波;

發(fā)射機(jī)輸出功率P-1 dB:>33 dBm;

發(fā)射機(jī)三階互調(diào):<-22 dBc;

接收機(jī)噪聲系數(shù):<2.4 dB(常溫);

體積:130mm×90mm×30mm;

重量:750g;

功耗:34 W。

圖3 ODU實(shí)物圖Fig.3 Picture of ODU

該設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)均處于當(dāng)前國內(nèi)領(lǐng)先水平,但與國外同類產(chǎn)品相比,本設(shè)備小型化指標(biāo)與國外產(chǎn)品相當(dāng),但是發(fā)射功率、噪聲系數(shù)和三階互調(diào)指標(biāo)比國外產(chǎn)品要差一些,主要是因?yàn)閲猱a(chǎn)品帶寬較窄,帶寬只有500MHz,而本設(shè)備帶寬是1.6 GHz。如果是相同帶寬的話,除了噪聲系數(shù)和功耗之外,本設(shè)備的其余指標(biāo)均與國外產(chǎn)品指標(biāo)相當(dāng)。

6 結(jié) 論

本文介紹了集成一體化小型Ka頻段衛(wèi)星通信終端ODU的設(shè)計(jì),并給出了實(shí)物測試結(jié)果。該設(shè)備具有指標(biāo)先進(jìn)、體積小、重量輕和功耗小等特點(diǎn),在通信等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。該設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平,但與國外同類產(chǎn)品相比,個(gè)別指標(biāo)還有些差距。下一步要改進(jìn)的有:進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備指標(biāo),并進(jìn)一步提高電路的集成化水平。

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