基于星載平臺的DBF體制接收前端組件研制?

劉秉策??，周鳳艷

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088）

基于星載平臺的DBF體制接收前端組件研制?

劉秉策??，周鳳艷

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥230088）

研制了一種應(yīng)用于星載平臺DBF接收機前端組件，針對其應(yīng)用的特殊環(huán)境要求，給出了較詳細電路設(shè)計和實現(xiàn)方法。通過對設(shè)計完成的電性件實測結(jié)果表明，設(shè)計實現(xiàn)的DBF接收前端組件具有高度的寬溫穩(wěn)定性和幅相一致性，同時具有高增益和低噪聲系數(shù)的特點，測試結(jié)果充分證明該項技術(shù)在星載平臺上應(yīng)用的條件已經(jīng)成熟。

有源相控陣天線；星載DBF接收機前端組件；幅相一致性；可靠性設(shè)計

1 引言

20世紀90年代初開始逐步在衛(wèi)星上應(yīng)用的有源相控陣技術(shù)具有低損耗、可大角度動態(tài)掃描的特點，利用陣列天線的空間分集效果可以在地球表面實現(xiàn)多波束覆蓋，通過波束之間頻率復(fù)用，能夠極大地提高衛(wèi)星系統(tǒng)的用戶容量［1］。通過饋電網(wǎng)絡(luò)，有源相控陣天線既可以在射頻上實現(xiàn)模擬波束形成，也可以通過數(shù)字的方式在基帶或中頻實現(xiàn)，利用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)波束形成近年來受到了日益關(guān)注。DBF是“數(shù)字波束形成”的英文縮寫，其基本原理是將各天線陣列單元接收到的射頻回波信號，無失真地變頻成中頻信號，再變換成數(shù)字信號，然后在高速數(shù)字波束形成計算機中進行加權(quán)和視頻數(shù)字全程處理，以形成所需的靈活、高質(zhì)量接收波束，具有掃描快速靈活、分辨率高、抗干擾和雜波性能優(yōu)良和故障弱化等優(yōu)點［2］。

本文設(shè)計的DBF接收前端組件位于星上返向鏈路與S頻段相控陣天線輸出端之間，組件由濾波器單元和低噪聲放大器單元組成，主要負責(zé)完成天線回波信號低噪聲放大并送入后面的變頻單元處理。針對DBF體制接收前端設(shè)計來說，必須重點設(shè)計通道穩(wěn)定性和通道間的幅相一致性，因為它不但影響數(shù)字波束形成的副瓣電平，還影響到波束指向精度。此外，由于應(yīng)用在復(fù)雜空間工作環(huán)境，在滿足系統(tǒng)電性能技術(shù)指標的前提下，應(yīng)重點考慮以下3個方面：一是采用成熟技術(shù)和電路設(shè)計，壓縮元器件種類和品種，保證設(shè)計的可靠性和繼承性；二是盡量簡化方案設(shè)計，不以追求高指標為目標，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度；三是采用主／備設(shè)計，通過設(shè)置冗余電路降低設(shè)備的失效率。依據(jù)上述思路設(shè)計，本文設(shè)計了一種星載平臺DBF體制接收前端組件，給出了其電路設(shè)計、實現(xiàn)方案、主要指標分析及星載電子設(shè)備可靠性設(shè)計方面等內(nèi)容，并給出了設(shè)計完成的電性件相應(yīng)的測試結(jié)果。據(jù)我們所知，國內(nèi)還沒有見到類似報道。

2 接收前端組件的設(shè)計

接收前端組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。一個接收前端組件模塊中包含有兩路相同的放大通道，可以互為備份。接收通道由兩級單元構(gòu)成，前級濾波器單元主要提供頻率選擇性，對前向發(fā)射信號與衛(wèi)星其他載荷發(fā)射信號提供頻率抑制與隔離；后級低噪放單元完成回波信號的放大。由于星地之間通信距離遙遠，同時考慮總體對接收前端組件噪聲系數(shù)指標的要求，設(shè)計低噪聲放大器單元增益倍數(shù)要超過40 dB，為了在大信號干擾的情況下不發(fā)生阻塞，在低噪放單元放大鏈路中加入兩級介質(zhì)帶通濾波器B1和B2，介質(zhì)濾波器具有帶寬窄、高Q值、插入損耗較小、阻帶衰減高等特點，能夠保證接收前端組件滿足噪聲系數(shù)指標的同時抗過載能力達到總體指標要求。

圖1DBF接收前端組件組成框圖Fig.1 Schematic diagram of DBF receiver front end

2.1 濾波器單元設(shè)計

針對應(yīng)用于復(fù)雜空間環(huán)境長期在軌運行的要求，濾波器單元采用同軸腔諧振器形式。同軸腔諧振器主要具有可靠性高、體積小、重量輕、Q值大等優(yōu)點，其性能優(yōu)良，損耗小，對雜波有較好的抑制性，但是必須仔細處理諧振腔工作頻率的寬溫穩(wěn)定性。

使用ADS2008update2仿真軟件建立濾波器的電路模型，如圖2所示［3］。經(jīng)過仿真優(yōu)化可以得到濾波器的傳輸特性和群延時特性曲線，見圖3。

圖2 同軸腔諧振器的電路模型Fig.2 Schematic diagram of cavity resonator circuit

圖3 同軸諧振腔濾波器特性曲線Fig.3 The characteristic curves of cavity resonator circuit

可以看到，在中心頻率f0±3.1 MHz內(nèi)，幅度起伏不大于0.1 dB，群時延起伏約為0.98 ns，f0± 50 MHz處抑制度小于45 dB，其主要指標能滿足總體需求。

由于DBF接收前端組件工作在地球同步軌道，傳統(tǒng)的同軸腔諧振器采用的是鋁鍍銀材料，鋁具有較大的熱膨脹系數(shù)，如果不加以優(yōu)化設(shè)計，空間環(huán)境溫度變化將使濾波器諧振腔的諧振頻率產(chǎn)生漂移，從而造成阻帶性能變化，使得濾波器的主要性能指標變差。為了克服空間環(huán)境溫度變化帶來的不利影響，必須采用低熱膨脹系數(shù)材料。殷鋼是一種具有極低熱膨脹系數(shù)材料，隨溫度的變形極小，適合于制作對溫度變形有嚴格要求的零件，但是其密度大。同軸腔諧振器如果整體使用殷鋼設(shè)計會使得DBF接收前端組件整體重量大大增加，不適合應(yīng)用于星載平臺這類對重量有著嚴格要求的場合。為此，設(shè)計濾波器中諧振器的內(nèi)導(dǎo)體及調(diào)諧部分與工作頻率點敏感的部件采用熱脹系數(shù)小的殷鋼材料，而同軸腔諧振器殼體依舊采用鋁材料從而使濾波器在滿足電性能指標的前提下，盡可能地減少重量適用于星載平臺。進行尺寸優(yōu)化后，仿真得到諧振器諧振頻率隨溫度變化的曲線如圖4所示，同軸腔諧振器溫度系數(shù)約為4 ppm／℃，這樣工作環(huán)境溫度變化帶來的諧振頻率的改變相對于接收前端組件工作通帶的影響基本可以忽略。

圖4 諧振腔頻率隨溫度變化特性曲線Fig.4 The variation curve of resonate frequency with temperature change

2.2 低噪聲放大器單元設(shè)計

接收通道的級聯(lián)噪聲系數(shù)可以表示為

式中，F(xiàn)i是接收通道第i級放大器的噪聲系數(shù)，Gi是接收通道中第i級放大器的增益?？梢钥吹?，只要第一級放大器具有足夠高的增益，那么整個接收通道的噪聲系數(shù)基本決定于第一級放大器的噪聲系數(shù)。另外，接收通道的靈敏度也受到噪聲系數(shù)的制約，靈敏度定義為接收通道可檢測的最小信號功率，表示接收微弱信號的能力。接收通道靈敏度越高，所能接收的信號就越弱。通常使用下式來計算：

其中，F(xiàn)s為前端的噪聲系數(shù)，BW為信號帶寬?？梢婌`敏度受噪聲電平制約，所以要提高接收通道靈敏度，必須盡量減小系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。通過計算鏈路增益分配可知，選擇第一級放大器的噪聲系數(shù)滿足NF≤0.7 dB，增益在于等于30 dB，后級電路對系統(tǒng)噪聲系數(shù)的影響可以忽略［3］。

低噪聲放大器的增益通常隨著工作升高而降低，為了滿足寬溫工作下對接收通道增益起伏變化的要求，必須在放大鏈路中串入一個溫度補償衰減器。為了達到較好的補償效果，溫補電路通常位于整個放大鏈路中的末級放大器之前，其實現(xiàn)原理如圖5所示。

圖5 溫補電路的功能實現(xiàn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of temperature compensation circuit

工作溫度范圍內(nèi)單個低噪聲放大器的增益變化約為0.7 dB，則整個放大鏈路的線性增益的最大起伏約為1.5 dB?？梢赃x用EMC公司的TV A0300N09W3S，其溫度特性曲線如圖6所示。溫補衰減器型號的確定是以實測通道的溫度－增益曲線為依據(jù)。

圖6TVA0300N09W3S的溫度特性曲線Fig.6 Temperature characteristic curve of TVA0300N09W3S

2.3 幅相一致性設(shè)計

如前所述，通道穩(wěn)定性和通道間幅相一致性直接影響接收數(shù)字波束形成的副瓣電平和波束指向精度。針對星載平臺這類特殊工作環(huán)境，必須仔細考慮DBF體制接收前端寬溫條件下的通道穩(wěn)定性和通道間幅相一致性設(shè)計。

2.3.1 幅度一致性設(shè)計

為滿足對DBF接收前端組件幅度一致性要求，首先必須保證關(guān)鍵器件濾波器和低噪聲放大器本身的幅度一致性，該指標主要是由這些器件本身的帶內(nèi)波動，以及相互之間的阻抗不匹配所導(dǎo)致的。為此，設(shè)計中采用了如下設(shè)計措施：

（1）選擇高質(zhì)量可靠等級的元器件，同時裝配之前，對元器件進行配對篩選，確保其在工作頻段內(nèi)具有良好幅度、駐波特性；

（2）使用真空釬焊將微帶基板直接焊接于殼體，不但改善微波電路的接地效果，還能夠提高抗電磁干擾能力；

（3）使用壓片裝配方式，將低噪聲放大器管殼與微帶板壓緊固定，不但能夠改善低噪放的接地效果，同時還能提高抗航天力學(xué)環(huán)境能力；

（4）濾波器單元和低噪放單元之間使用同軸隔離器進行隔離；低噪放單元內(nèi)低噪聲放大器和介質(zhì)濾波器之間使用3 dB以上衰減器改善駐波比，消除“駐波牽引”；通過調(diào)整各級電路的匹配狀態(tài)、增加電路隔離度等方法，達到各器件之間的良好匹配；

（5）最后一級放大器前插入一個使用電阻搭成的π型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可對整個放大鏈路的增益進行微調(diào)。

采用以上措施，可以滿足對接收前端組件幅度一致性的要求［4］。

2.3.2 相位一致性設(shè)計

DBF接收前端組件的相位一致性不僅僅取決于各個元器件的相位一致性，還受加工、工藝、裝配、調(diào)試帶來的駐波變化影響。

（1）從加工制造來說，影響相位一致性的因素主要有微帶介質(zhì)板的工藝原因?qū)е陆殡姵?shù)的不一致、微帶板及外殼由于機加公差的波動導(dǎo)致尺寸精度不能保證、電裝引入的誤差。在設(shè)計中采用以下措施：微帶介質(zhì)板選用同一批次介電常數(shù)一致性較好的產(chǎn)品；采用數(shù)控加工技術(shù)保證微帶板的機加精度的一致性；在滿足電性能的前提下，選用加工性能良好的金屬材料作為殼體材料，同時使用采用數(shù)控加工技術(shù)保證加工精度；表貼器件使用回流焊工藝；低噪聲放大器手工電裝時，同一器件由同一人裝配，避免電裝的不一致性。

（2）從電路設(shè)計及調(diào)試來說，優(yōu)化電路設(shè)計、元器件布局時要避免相互影響和微帶傳輸線間的相互耦合，減少微帶線的彎折、跳變等不連續(xù)性的影響；每個放大低噪聲放大器電源饋電處并聯(lián)一個0.01μF低頻獨石電容和10μF鉭電容進行濾波處理，同時串聯(lián)一個鐵氧體繞線電感進行隔離，防止射頻信號通過電源線相互串擾；各級電路的必須具有好的穩(wěn)定性和駐波特性；放大器與濾波器之間級聯(lián)要加入衰減器進行匹配；介質(zhì)帶通濾波器輸入輸出端之間使用隔筋，空間上進行隔離，防止輸入輸出端之間的相互空間串擾。只有這樣才能在調(diào)整相位一致性時不致使其他指標偏差太大。為滿足相位一致性，原則上對組裝好的電路最好不進行任何調(diào)試。但實際還需對電路進行微調(diào)來保證相位一致性，采用的措施有：在調(diào)試各通道電路時，盡量使調(diào)試點完全一致；通過改變互連電纜長度等措施抵消固定相差［5］。

3 可靠性設(shè)計

為了能夠在空間環(huán)境中長期可靠工作，航天電子設(shè)備的可靠性設(shè)計是一個重要內(nèi)容，包括元器件降額設(shè)計、熱設(shè)計、抗輻照設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、靜電防護設(shè)計、抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計、容差設(shè)計等。限于篇幅限制，本文僅對接收前端的熱設(shè)計和力學(xué)設(shè)計進行簡單介紹［6］。

3.1 熱設(shè)計分析

在真空環(huán)境下，只有熱傳導(dǎo)和熱輻射兩種散熱途徑，且傳導(dǎo)散熱比輻射散熱更為顯著有效。因此，熱設(shè)計著重以導(dǎo)熱的觀點出發(fā)，使電路中的熱量盡可能以最短路線傳遞：將功耗大的元器件分散安裝，均勻傳導(dǎo)散熱；選用高導(dǎo)熱系數(shù)材料；減小接觸面之間的接觸熱阻。接收前端組件中功耗較大的器件主要為砷化鎵低噪聲場效應(yīng)管放大器，設(shè)計微帶板時，器件底部焊盤大面積敷銅接地，在接地焊盤過孔內(nèi)填充導(dǎo)熱銅柱，加強熱傳導(dǎo)效率，低噪放管殼采用壓片裝配方式緊貼微帶板。微帶板采用真空釬焊的方式直接固定在組件殼體上，提高接觸面的平整度和光潔度，最大限度降低傳導(dǎo)熱阻。

3.2 航天抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計

為保證產(chǎn)品在航天力學(xué)環(huán)境下的可靠性，保證接收前端組件有足夠的結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)強度，同時綜合考慮熱設(shè)計、抗輻照、EMC等設(shè)計要求，組件在外形設(shè)計上盡量降低總質(zhì)心、降低高度；在主結(jié)構(gòu)上受力和力矩較大部位設(shè)置加強筋；板間采用咬接或者鑲嵌配合方式加強板之間的連接強度和抗振能力；在組件剛度要求的前提下，組件中的PCB基頻盡可能與組件的基頻錯開，錯開頻率一般應(yīng)滿足倍頻律的要求，以防止發(fā)生振動耦合放大；一般元器件布局應(yīng)均勻，抗振性能差或關(guān)鍵元器件應(yīng)適當布置在遠離載荷輸入端及印制板上靠近組件外殼的邊緣處。

4 測試結(jié)果

設(shè)計完成的接收前端組件外形如圖7所示。

圖7 單個接收前端組件外形圖Fig.7 The outline of receiver front-end

星載DBF接收前端組件對全溫范圍內(nèi)的通道穩(wěn)定性和通道間的幅相一致性有著較為苛刻的指標要求。按照環(huán)控溫度－10℃～50℃內(nèi)以5℃為步進，分別進行噪聲、帶內(nèi)增益起伏、群時延波動和通道間幅相一致性測試，根據(jù)實物測試，接收前端組件中每路接收通道技術(shù)指標如下：

（1）每路單通道增益滿足：42±0.3 dB；

（2）每路單通道噪聲系數(shù)：≤1.4 dB；

（3）每路單通道帶內(nèi)增益起伏：≤0.3 dB；

（4）每路單通道帶內(nèi)群時延特性起伏：≤4 ns；

（5）每路單通道帶內(nèi)增益不一致性：≤±0.2 dB；

（6）每路單通道帶內(nèi)相位不一致性：≤±3°；

（7）每路單通道帶之間的帶內(nèi)“相位-溫度”特性不一致性：≤±3°。

5 結(jié)論

本文介紹了一種應(yīng)用于空間環(huán)境DBF接收機中的接收前端組件，給出了較詳細電路設(shè)計和實現(xiàn)方法，以及主要技術(shù)指標分析和測試結(jié)果，并對星載電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計進行了描述。本文設(shè)計的成功實現(xiàn)對今后各類采用接收DBF技術(shù)的星載平臺研制有著較強的針對性和指導(dǎo)性，具有一定的工程價值。后續(xù)正樣件的研制攻關(guān)集中在保證寬溫穩(wěn)定性和高幅相一致性的前提下，盡可能降低組件體積和重量。

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［4］周鳳艷.現(xiàn)代DBF雷達多通道接收機的實驗研究［J］.雷達科學(xué)與技術(shù)，2007（8）：304－308. ZHOU Feng-yan.Experimental study of multi-channel receiver of digital beam-forming radar［J］.Radar Science and Technology，2007（8）：304－308.（in Chinese）

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LIU Bing-ce was born in Hefei，Anhui Province，in 1981.He received the Ph.D.degree from University of Science and Technology of China in 2011.He is now an engineer.His research concerns microwave components and RF circuit design.

Email：liubingce＠126.com

周鳳艷（1962—），女，貴州都勻人，高級工程師，主要從事雷達接收系統(tǒng)及微波電路的研制工作，曾獲部科技進步一等獎。

ZHOU Feng-yan was born in Duyun，Guizhou Province，in 1962.She is now a senior engineer.Her research concerns radar receiving system and microwave circuit.

Development of a Satellite-borne Multi-channel Receiver Front End of Digital Beam-Forming

LIU Bing-ce，ZHOU Feng-yan
（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230088，China）

A satellite-borne multi-channel receiver front end of digital beam-forming is presented for the demand of application in complex space environment.The design scheme，realization method and the reliability design are introduced in detail.The test result shows the specification of the developed receiver front end meets the requirements，and has characteristics of high degree of integration，compact structure，excellent performance of stabilities among its multiple channels in amplitude and phase.Also the results illustrate that the satellite-borne receiver adopting DBF is a proven technique.

active phased array antenna；satellite-borne digital beam-forming receiver；front end module；consistency in amplitude and phase；reliability design

date：2013－04－28；Revised date：2013－06－24

??通訊作者：liubingce＠126.comCorresponding author：liubingce＠126.com

TN821；TN927

A

1001－893X（2013）07－0917－05

劉秉策（1981—），男，安徽合肥人，2011年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向為微波組件和射頻電路設(shè)計；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.018

2013－04－28；

2013－06－24