基于陣列信號(hào)處理的一體化模塊設(shè)計(jì)

張濤，龐鵬翔，董加偉

（1.天津大學(xué)電子信息學(xué)院，天津300072；2.天津津航計(jì)算技術(shù)研究所，天津300308）

基于陣列信號(hào)處理的一體化模塊設(shè)計(jì)

張濤1，2，龐鵬翔2，董加偉2

（1.天津大學(xué)電子信息學(xué)院，天津300072；2.天津津航計(jì)算技術(shù)研究所，天津300308）

當(dāng)今通信設(shè)備飛速發(fā)展，但由于頻譜資源的限制，通信設(shè)備之間的互擾問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。為了解決這一日益突出的問(wèn)題，對(duì)陣列信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行了研究。陣列信號(hào)處理技術(shù)是利用多個(gè)天線采用空時(shí)濾波的手段消除干擾信號(hào)。本文研究了針對(duì)陣列信號(hào)處理技術(shù)的一體化模塊的設(shè)計(jì)，根據(jù)陣列信號(hào)處理的需求完成了天線和射頻部分的制作，并進(jìn)行了測(cè)試。天線單元實(shí)現(xiàn)軸比3 dB的仰角范圍是±60°，軸比6 dB的仰角范圍為±77°；3 dB軸比帶寬為20 MHz，6 dB軸比帶寬在40 MHz以上。射頻單元采用多通道一體化設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試該模塊幅度誤差＜1 dB，相位誤差＜2°。并對(duì)此模塊進(jìn)行了半實(shí)物仿真，其濾波效果優(yōu)于60 dBc。

陣列信號(hào)處理；軸比；幅度誤差；相位誤差

0 引言

在通信設(shè)備飛速發(fā)展的今天，通信設(shè)備在更加復(fù)雜的電磁環(huán)境中工作，它們之間的干擾也越發(fā)的嚴(yán)重。通信設(shè)備的抗干擾技術(shù)成為關(guān)鍵技術(shù)之一。

通信設(shè)備的抗干擾體制分為擴(kuò)譜通信抗干擾技術(shù)和非擴(kuò)譜通信抗干擾技術(shù)。這兩種通信技術(shù)在現(xiàn)今通信系統(tǒng)中均普遍存在，因此需要一種可以適應(yīng)兩種體制的抗干擾方法。陣列信號(hào)處理技術(shù)在不需要獲得干擾和信號(hào)方位信息的條件下采用自適應(yīng)濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)抑制干擾，是一種十分有效的手段。本文對(duì)陣列信號(hào)處理技術(shù)中的天線和射頻模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 原理與設(shè)計(jì)

陣列信號(hào)處理技術(shù)是一種采用多天線自適應(yīng)調(diào)零的技術(shù)。利用不同位置的天線對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行估計(jì)，采用空時(shí)濾波技術(shù)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行消除?？諘r(shí)信號(hào)濾波技術(shù)主要利用接收到的多路信號(hào)的幅相信息進(jìn)行估計(jì)，因此對(duì)無(wú)線信道的各個(gè)通道的信號(hào)幅相特性提出了較高的要求[1]。

1.1 天線設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，所采用的天線為天線陣列，在天線設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮天線單元之間的互耦問(wèn)題[2-3]。天線陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 天線陣列示意圖

此天線陣列共有7個(gè)天線單元，其中中間的天線單元為發(fā)射天線，周圍6個(gè)為接收天線。根據(jù)此布局對(duì)天線特性進(jìn)行了仿真。天線的介質(zhì)板是Taconic生產(chǎn)的TRF-43介質(zhì)板，厚度為64 mil，即1.63 mm，介電常數(shù)為4.3，覆銅厚度為1 oz/ft2。同軸連接器為50ΩSMA連接器，直徑為200 mm，輻射貼片邊長(zhǎng)為28 mm，接地板邊長(zhǎng)為40 mm，饋電點(diǎn)的位置距離相應(yīng)接地板中心6 mm，切角大小為3.0 mm和3.1 mm，周圍天線單元距離中心天線單元的尺寸為半波長(zhǎng)。

1.2 射頻多通道模塊設(shè)計(jì)

射頻多通道模塊包括六路接收、一路發(fā)射和基帶數(shù)字處理的多功能模塊。根據(jù)指標(biāo)需求，要求接收通道的幅度誤差＜1 dB，相位誤差＜2°。發(fā)射通道的發(fā)射功率為20 dBm。

射頻多通道模塊的發(fā)射通道采用直接上變頻形式對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行上變頻。由FPGA輸出的I、Q信號(hào)通過(guò)D/A輸出送入正交上變頻器，正交上變頻器直接把信號(hào)變頻至所需要的射頻頻率上，通過(guò)SMA接口送到發(fā)射天線。發(fā)射通道的原理框圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射通道原理框圖

射頻接收通道采用超外差接收機(jī)架構(gòu)，射頻通道與基帶處理部分為70 MHz標(biāo)準(zhǔn)中頻接口。六路接收通道的AGC控制電平由FPGA采用統(tǒng)一電平控制。單一接收通道的原理框圖如圖3所示。要想達(dá)到最佳的濾波效果，陣列天線的不同通道之間必須保持嚴(yán)格的一致性。六路接收通道為相干通道，六路采用同一的本振信號(hào)，以保證六路之間的相位特性一致。同時(shí)設(shè)計(jì)過(guò)程中加入了多個(gè)幅相調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，射頻幅相調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，需要在保證各個(gè)通道幅相調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)一致性的同時(shí)，保證在單獨(dú)調(diào)諧幅度或相位的過(guò)程中不會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)不希望變化的變量發(fā)生變化。

多通道射頻模塊關(guān)鍵組件為相干本振組件，根據(jù)整機(jī)的指標(biāo)分解，要求本振的相噪指標(biāo)為：-70 dBc@100 Hz，

圖3 單一接收通道原理框圖

-80 dBc@1 kHz，-90 dBc@10 kHz。相干本振源采用PE3336作為主要芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。參考源的選擇主要基于電路設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求，由于環(huán)路濾波器的作用，參考源會(huì)影響到頻率綜合器的近端的相位噪聲，在本設(shè)計(jì)中選用溫補(bǔ)晶振，溫補(bǔ)晶振具有輸出頻率不隨溫度變化的特點(diǎn)，在環(huán)境溫度變化的情況下參考源的性能基本不變，可以滿足不同環(huán)境條件下的使用要求[4]。環(huán)路濾波器是PLL頻率合成器的重要部件，其設(shè)計(jì)直接影響到鎖相環(huán)路的相位噪聲、鎖定時(shí)間、環(huán)路穩(wěn)定性。根據(jù)芯片的鑒相器的形式，這里選擇有源比例積分濾波器作為環(huán)路濾波器。根據(jù)鎖相環(huán)路的基本理論[5]可知，二階環(huán)是絕對(duì)穩(wěn)定的，所以采用二階有源比例積分濾波器，濾波器的電路圖如圖4所示。

圖4 二階有源比例積分濾波器電路圖

2 試驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)天線陣列進(jìn)行了實(shí)際的制作，如圖5所示。天線的方向圖和駐波圖的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 天線實(shí)物照片

圖6 駐波和方向圖仿真結(jié)果

射頻多通道模塊的設(shè)計(jì)中，采用一塊多層印制板對(duì)6個(gè)接收通道和1個(gè)發(fā)射通道，以及相干本振進(jìn)行了集成，對(duì)關(guān)鍵位置采用了鍍銀屏蔽罩進(jìn)行屏蔽，模塊實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 射頻多通道模塊實(shí)物照片

對(duì)頻率合成器的指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。本振的相位噪聲的實(shí)測(cè)值為-61 dBc@100Hz，-80 dBc@1 kHz，-85 dBc@10 kHz，實(shí)測(cè)結(jié)果與估算值相當(dāng)，如圖8所示。

圖8 本振相位噪聲測(cè)試曲線

3 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)天線射頻一體化模塊進(jìn)行了測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了半實(shí)物的仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 對(duì)四個(gè)不同方向干擾的仿真方向圖

干擾信號(hào)分別從方位角和俯仰角為（40°，-50°）、（50°，40°）、（130°，-60°）、（140°，50°）入射，從圖9可以看出陷波效果優(yōu)于60 dBc。

4 結(jié)論

本文對(duì)陣列信號(hào)處理中的天線射頻模塊的一體化設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述，并制作了相應(yīng)的天線、射頻模塊，并對(duì)制作的模塊進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了半實(shí)物仿真，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，在無(wú)其他輔助手段的情況下，天線陣列的濾波效果優(yōu)于60 dBc。

[1]龔耀寰.自適應(yīng)濾波——時(shí)域自適應(yīng)濾波和智能天線[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

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[5]張厥盛，鄭繼禹，萬(wàn)心平.鎖相技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

Design of a novel array antenna signal processing unit

Zhang Tao1，2，Pang Pengxiang2，Dong Jiawei2
（1.School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Jinhang Institute of Computing Technology，Tianjin 300308，China）

Communication equipment developed very fast nowadays.Because of the limitation of frequency spectrum，the interference between the different communication equipments became a serious problem.Array antenna signal processing uses the multi-antenna filtering technology to eliminate the interference signal.A novel array antenna signal processing unit is designed in this paper.An antenna and the RF circuits are fabricated and tested.The axial ratio of the antenna unit is 3 dB in±60°elevation，and 6 dB in±77°elevation.The bandwidth is 20MHz when the axial ratio is equal to 3 dB.The bandwidth is 40MHz when the axial ratio is equal to 6 dB.The RF circuits are multi-band circuits.The result of the RF circuits test is the amplitude error＜1 dB and the phase error＜2°.The simulation is made with the array antenna signal processing unit and the filtering effect is better than 60 dBc.

array antenna signal processing；axial ratio；amplitude error；phase error

TN973

A

1674-7720（2015）09-0059-03

2014-12-03）

張濤（1981-），男，博士研究生，工程師，主要研究方向：抗干擾通信技術(shù)。

龐鵬翔（1981-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：數(shù)字信號(hào)處理。

董加偉（1983-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：天線技術(shù)。