矢量調(diào)制器在星載相控陣天線中的應(yīng)用

薛欣 韓運(yùn)忠 江濤 陳騰博 范占春

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

矢量調(diào)制器在星載相控陣天線中的應(yīng)用

薛欣 韓運(yùn)忠 江濤 陳騰博 范占春

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

精確的相位調(diào)制技術(shù)是星載毫米波有源相控陣天線最關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的數(shù)字移相器構(gòu)造較為復(fù)雜，尺寸較大，相位調(diào)制特性有局限性，不是高工作頻段、寬掃描角星載相控陣天線發(fā)展的最優(yōu)選擇。文章提出采用單片矢量調(diào)制器來(lái)代替數(shù)字移相器及數(shù)字衰減器，利用電壓來(lái)控制矢量調(diào)制器的相位調(diào)制，提高了相位調(diào)制性能，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了星載毫米波段有源相控陣天線，并且實(shí)現(xiàn)了精確的二維波束掃描功能，驗(yàn)證了矢量調(diào)制器在星載毫米波有源相控陣天線中應(yīng)用的技術(shù)可行性。

航天器；毫米波；矢量調(diào)制器；有源相控陣天線

1 引言

先進(jìn)的星載有源相控陣天線系統(tǒng)中，精確的相位調(diào)制是其最關(guān)鍵的技術(shù)之一。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用數(shù)字移相器和數(shù)字衰減器作為有源相控陣天線通道幅相調(diào)制的手段，如“銥星”有源相控陣天線。

近年來(lái)，星載有源相控陣天線向更高工作頻段、更高性能、更寬掃描角及抗干擾方向發(fā)展。特別是星間通信及測(cè)距的需要，對(duì)天線的二維掃描角度要求更是達(dá)到了極限。隨著工作頻率的升高、掃描角度的增大，相控陣天線陣元間距則會(huì)變得越來(lái)越小，加之抗干擾相控陣天線對(duì)幅相調(diào)制有著高精度的要求，這些需求使得相控陣天線對(duì)收發(fā)組件（TR）的相位調(diào)制特性要求越來(lái)越高，尺寸要求越來(lái)越小。而傳統(tǒng)數(shù)字移相器及衰減器由于工作原理，其構(gòu)造復(fù)雜，芯片尺寸較大，造成TR組件裝配集成難度增加，不利于實(shí)現(xiàn)TR組件小型化。同時(shí)，數(shù)字移相器受限于本身特性，在移相時(shí)，會(huì)帶來(lái)的附加幅度變化，在進(jìn)行幅度衰減時(shí)，還會(huì)帶來(lái)附加的相位變化［1-2］，這也使得TR組件的相位調(diào)制特性難以獲得更靈活的應(yīng)用。這些局限性使得數(shù)字移相器和衰減器不是高頻率、更寬掃描角相控陣天線發(fā)展的最佳方案，進(jìn)而也不是用于未來(lái)星間通信和測(cè)距相控陣天線發(fā)展的最佳方案。

針對(duì)這些問(wèn)題，文章提出采用矢量調(diào)制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字移相器及衰減器兩塊芯片。矢量調(diào)制器芯片引腳少、尺寸小，一般只有傳統(tǒng)數(shù)字移相器和衰減器芯片尺寸的1/2，并且有更精確的相位調(diào)制特性。矢量調(diào)制幅相的方法可以有效地進(jìn)行有源相控陣天線射頻通道的相位和幅度調(diào)制，完成傳統(tǒng)數(shù)字移相器及衰減器的功能，并有利于TR組件的小型化及微組裝，有利于星間通信和測(cè)距所需求的更高頻段、更寬掃描特性有源相控陣天線的技術(shù)實(shí)現(xiàn)［3-5］。

有源相控陣天線的性能優(yōu)劣很大程度上取決于后期口面幅相校準(zhǔn)工作。本文提出采用無(wú)線校準(zhǔn)方法進(jìn)行天線矢量調(diào)制器的相位、幅度校準(zhǔn)，不僅可以消除由于通道不一致性及單元互耦造成的口面幅相分布誤差，還可以準(zhǔn)確獲得每個(gè)TR組件通道需要的相位、幅度調(diào)制對(duì)應(yīng)的控制電壓值。

2 矢量調(diào)制器設(shè)計(jì)及測(cè)試驗(yàn)證

本文提出在星載毫米波有源相控陣天線中應(yīng)用矢量調(diào)制器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字移相器和衰減器來(lái)調(diào)制TR組件的幅度和相位，除其本身具有更精確的相位調(diào)制特性，由于其工作原理的原因，其在進(jìn)行移相時(shí)，帶來(lái)的附加衰減小，調(diào)制幅度時(shí)，帶來(lái)的附加移相??；并且還可以使得用一塊芯片代替數(shù)字移相器及衰減器兩塊芯片，不僅尺寸減小，其芯片引腳也由數(shù)字移相器及數(shù)字衰減器20多根引腳減少到4根。矢量調(diào)制器的這些優(yōu)勢(shì)，可以有效降低TR組件裝配工藝的難度，有利于TR組件小型化的實(shí)現(xiàn)，有利于優(yōu)化TR組件的幅相調(diào)制性能。這些都是高工作頻段、寬掃描角有源相控陣天線所必須的特性。

2.1 矢量調(diào)制器原理及設(shè)計(jì)

在毫米波單片集成電路設(shè)計(jì)中，由于寄生參數(shù)的影響，芯片性能和體積經(jīng)常是一對(duì)難于調(diào)和的矛盾。本文提出的反射式矢量調(diào)制器是一種基本的結(jié)構(gòu)，最大的優(yōu)勢(shì)是體積小，接口數(shù)量少，控制方式簡(jiǎn)單。它主要由3部分組成：Lange橋、幅相調(diào)制器及Wilkinson功率合路器，原理圖如圖1所示［6-10］。

矢量調(diào)制器本身是無(wú)源器件，收發(fā)互易，其工作原理是輸入一個(gè)單位幅度、初始相位為0、頻率為ω的微波信號(hào)，經(jīng)過(guò)Lange橋，將信號(hào)分配為兩路幅度相等、相位正交的信號(hào)，分別進(jìn)入兩路幅相調(diào)制器，通過(guò)幅相調(diào)制器調(diào)節(jié)兩路信號(hào)的幅度和相位，最后經(jīng)過(guò)Wilkinson功率合路器將兩路矢量信號(hào)合成輸出信號(hào)為

式中：SI21及SQ21為兩路幅相調(diào)制器的傳輸系數(shù)；φ為附加移相；t為時(shí)間。

幅相調(diào)制器為反射式矢量調(diào)制器的關(guān)鍵部分，經(jīng)過(guò)Lange橋分配的兩路微波信號(hào)，分別由兩個(gè)獨(dú)立的、設(shè)計(jì)完全相同的幅相調(diào)制器進(jìn)行幅相調(diào)制，如圖1所示。

圖1 矢量調(diào)制器原理圖Eig.1 Diagram of vector modulator

幅相調(diào)制器的工作原理：用兩個(gè)高電子遷移晶體管（PHEMT）的漏極分別接入Lange耦合器的耦合端和隔離端，同時(shí)利用電壓控制兩個(gè)PHEMT管的柵極，從而改變PHEMT管漏極的電阻特性，來(lái)調(diào)節(jié)Lange耦合器的匹配狀態(tài)，當(dāng)Lange耦合器的匹配狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，其直通端的輸出信號(hào)的幅相也隨之改變，達(dá)到幅相調(diào)制的目的。

例如，當(dāng)兩路幅相調(diào)制器的PHEMT管的柵壓達(dá)到某一個(gè)值會(huì)導(dǎo)致PHEMT管的漏極電阻呈現(xiàn)50Ω，則Lange耦合器的直通端變?yōu)楦綦x狀態(tài)，矢量調(diào)制器的輸入信號(hào)被內(nèi)部完全匹配吸收，呈現(xiàn)無(wú)信號(hào)輸出的特性；當(dāng)兩路幅相調(diào)制器的PHEMT管的柵壓達(dá)到某一個(gè)值導(dǎo)致PHEMT管的漏極電阻呈現(xiàn)0Ω或大于1000Ω，則Lange耦合器的直通端變?yōu)槿珎鬏敔顟B(tài)，矢量調(diào)制器輸出的信號(hào)最大。若兩路幅相調(diào)制器PHEMT管的柵壓在中間狀態(tài)調(diào)節(jié)，矢量調(diào)制器就會(huì)呈現(xiàn)不同的幅相特性。

矢量調(diào)制器的插入損耗為

矢量調(diào)制器的移相為

可以看出，反射式矢量調(diào)制器的傳輸損耗最小為E0，要形成同幅度360°連續(xù)移相，其最小損耗為E0-3 dB。所設(shè)計(jì)的矢量調(diào)制器采用商用砷化鎵（Ga As）0.25μm工藝流片，流片完成的芯片尺寸為2.5 mm×1 mm。

結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的反射式矢量調(diào)制器其結(jié)構(gòu)上，只有4根引腳，分別為射頻輸入、射頻輸出、I路電壓（VI）引腳、Q路電壓（VQ）引腳。結(jié)構(gòu)形式相比傳統(tǒng)的數(shù)字移相器和數(shù)字衰減器大大簡(jiǎn)化，相比同頻段的數(shù)字移相器和衰減器尺寸縮小了1/2以上，便于后期微組裝及TR組件小型化，進(jìn)而有利于高頻段、寬角掃描相控陣天線的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

2.2 矢量調(diào)制器測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證矢量調(diào)制器芯片設(shè)計(jì)的正確性，對(duì)矢量調(diào)制器芯片性能在探針臺(tái)進(jìn)行在片測(cè)試。

測(cè)試時(shí)，控制矢量調(diào)制器的VI和VQ路電壓以5 m V作為步進(jìn)，VI和VQ兩路電壓在整個(gè)矢量調(diào)制器的工作電壓范圍內(nèi)遍歷，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采集其射頻性能。測(cè)試得到的矢量調(diào)制器幅相分布極坐標(biāo)星座圖如圖2所示?？梢钥吹剑噶空{(diào)制器在小幅度衰減狀態(tài)下，測(cè)試所得的移相精度優(yōu)于1°。將得到星座圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化，可處理為等效6 bit移相器及3 bit衰減器，如圖3所示。其中共離散出了等效3 bit衰減器的8個(gè)等幅度圓，不同等幅度圓之間幅度間隔0.75 dB，總范圍從-10～-15.25 dB，每個(gè)等幅度圓上離散出了等效6 bit共64個(gè)相位點(diǎn)，每個(gè)相位點(diǎn)間隔5.625°。可以看出矢量調(diào)制器的幅相調(diào)制特性也優(yōu)于數(shù)字移相器和衰減器。

圖2 矢量調(diào)制器測(cè)試星座圖Eig.2 Constellation of vector modulator

圖3 矢量調(diào)制器測(cè)試提取幅相特性圖Eig.3 AM/PH performance of vector modulator

測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的矢量調(diào)制器可以完成0°～360°相位調(diào)制和-10～-15.25 dB的幅度調(diào)制。進(jìn)行移相時(shí)，其準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5°，帶來(lái)的附加幅度變化小于0.2 d B。進(jìn)行衰減時(shí)，帶來(lái)的附加相位變化小于1°。其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)字移相器和數(shù)字衰減器的性能。

3 在星載毫米波有源相控陣天線中的應(yīng)用及測(cè)試驗(yàn)證

3.1 矢量調(diào)制器在有源相控陣天線中的應(yīng)用

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的反射式矢量調(diào)制器芯片在天線系統(tǒng)中的性能，設(shè)計(jì)了星載毫米波有源相控陣天線，矢量調(diào)制器作為每個(gè)通道相位、幅度調(diào)制的手段。

有源相控陣天線系統(tǒng)示意圖如圖4所示，有源相控陣天線包含m×n個(gè)通道，每個(gè)通道由TR組件及輻射單元構(gòu)成［11-12］。

圖4 有源相控陣系統(tǒng)示意圖Eig.4 Diagram of active phased array antenna

TR組件的原理示意圖如圖5所示。TR組件內(nèi)部主要由兩級(jí)發(fā)射放大器、兩級(jí)接收放大器、矢量調(diào)制器及串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。TR組件為收發(fā)共用、分時(shí)工作，接收/發(fā)射信號(hào)的幅相調(diào)制采用同一片矢量調(diào)制器。

圖5 TR組件系統(tǒng)示意圖Eig.5 Diagram of TR

本文所設(shè)計(jì)的有源相控陣天線的工作方式如下：

矢量調(diào)制器的移相、衰減依靠串并數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的2路12 bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）電壓進(jìn)行控制，兩路電壓為VI和VQ，電壓數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于相控陣天線控制器內(nèi)部。每次需要進(jìn)行相位和幅度調(diào)制時(shí)，控制器將需要調(diào)制的相位、幅度信息所映射的VI和VQ的電壓數(shù)據(jù)通過(guò)串行總線傳輸至每個(gè)TR組件的串并數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，而每個(gè)TR組件內(nèi)部的串并數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片通過(guò)該TR組件的地址位，選擇將對(duì)應(yīng)的VI和VQ的電壓數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至串并數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片緩存器內(nèi)。

所有TR組件內(nèi)部的串并數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將對(duì)應(yīng)的VI和VQ的電壓數(shù)據(jù)緩存完成后，控制器通過(guò)控制總線下達(dá)“波束切換”指令，此時(shí)所有串并數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片通過(guò)事先緩存的VI和VQ的電壓數(shù)據(jù)生成2路DAC模擬電壓，輸出至矢量調(diào)制器。TR組件內(nèi)每個(gè)矢量調(diào)制器根據(jù)VI和VQ路的電壓值，將射頻信號(hào)調(diào)制至對(duì)應(yīng)的相位和幅度值，每個(gè)天線陣元便會(huì)輻射出不同幅度、相位的矢量微波信號(hào)，所有天線陣元輻射出的矢量微波信號(hào)在空間矢量疊加，便會(huì)在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)形成特定的波束方向圖，成為不同掃描角度的波束方向圖。

也可以看到，幅相調(diào)制器的性能受限于其兩路控制電壓VI和VQ的精度，一般這兩路輸出電壓的精度需要優(yōu)于3 m V，才能使矢量調(diào)制器發(fā)揮出優(yōu)異的性能。所以采用矢量調(diào)制器的相控陣天線要實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能，除了矢量調(diào)制器本身外，高精度的串并數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片也是其關(guān)鍵所在。

所設(shè)計(jì)的星載毫米波有源相控陣天線完成生產(chǎn)及集成后，其口面幅相分布離散，且每個(gè)通道移相和衰減所對(duì)應(yīng)的電壓值未知，需要進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試才能使相控陣天線具有應(yīng)有的功能和性能。

3.2 有源相控陣天線通道無(wú)線校準(zhǔn)方法驗(yàn)證

為了消除由于通道不一致性及單元互耦造成的口面幅相分布誤差，從而得到更優(yōu)的天線輻射性能，并獲得每路通道相位、幅度調(diào)制對(duì)應(yīng)的2路12 bit控制的電壓值，本文提出在無(wú)線情況下完成星載毫米波有源相控陣天線矢量調(diào)制器的相位、幅度校準(zhǔn)方法。

校準(zhǔn)在暗室近場(chǎng)條件下進(jìn)行，分別將TR組件內(nèi)部2路12 bit的控制電壓遍歷，獲得2路12 bit控制電壓與TR組件相位、幅度的映射關(guān)系。典型測(cè)試所得的TR組件幅相分布星座圖如圖6所示。測(cè)試時(shí)，所有TR組件通道校準(zhǔn)所采用的相位、幅度的參考原點(diǎn)參照事先規(guī)定的同一參考原點(diǎn)。這樣進(jìn)行測(cè)試的同時(shí)，也保證了有源相控陣天線口面的相位、幅度一致性。

圖6 TR組件測(cè)試星座圖Eig.6 Constellation of TR

測(cè)試獲得每個(gè)TR組件的幅相分布星座圖與其每個(gè)幅相點(diǎn)映射的2路12 bit控制電壓值后，利用后處理程序，將得到的幅相特性進(jìn)行離散化，典型結(jié)果如圖7所示。其中共離散出了等效3 bit衰減器的8個(gè)等幅度圓，不同等幅度圓之間幅度間隔0.75 dB，總范圍從-10～-15.25 dB，每個(gè)等幅度圓上離散出了等效6 bit共64個(gè)相位點(diǎn)，每個(gè)相位點(diǎn)間隔5.625°。并將該映射關(guān)系存儲(chǔ)于天線控制器內(nèi)部。該數(shù)據(jù)將用于后期有源相控陣天線在進(jìn)行波束掃描時(shí)候?qū)κ噶空{(diào)制器的控制。

圖7 TR組件測(cè)試提取幅相特性圖Eig.7 AM/PH performance of TR

如上所述，該方法可以有效地完成相控陣天線口面幅度、相位的校準(zhǔn)，并同時(shí)可以得到每個(gè)TR組件通道的矢量調(diào)制器的相位、幅度特性與映射的控制電壓關(guān)系。

3.3 有源相控陣天線測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證及評(píng)價(jià)采用矢量調(diào)制器的星載毫米波有源相控陣天線的輻射性能，同時(shí)為了驗(yàn)證近場(chǎng)無(wú)線校準(zhǔn)方法所得到數(shù)據(jù)的正確性，對(duì)完成校準(zhǔn)的星載毫米波有源相控陣天線進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)輻射性能測(cè)試。

星載毫米波有源相控陣天線的波束掃描特性測(cè)試在遠(yuǎn)場(chǎng)箱型暗室進(jìn)行。測(cè)試系統(tǒng)如圖8所示，由自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、標(biāo)準(zhǔn)天線、測(cè)試電纜、信號(hào)合成源、直流穩(wěn)壓源及有源相控陣天線控制設(shè)備構(gòu)成，采用此測(cè)試系統(tǒng)對(duì)有源相控陣天線水平面、垂直面的接收及發(fā)射方向圖進(jìn)行了測(cè)試。

圖8 毫米波天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)Eig.8 Automatic test equipment for millimeter wave antenna

測(cè)試得到的有源相控陣天線在二維空間±θ角度內(nèi)的接收掃描方向圖如圖9、圖10所示，在二維空間±θ角度內(nèi)的發(fā)射掃描方向圖如圖11、圖12所示。

圖9 有源相控陣天線水平面接收掃描方向圖Eig.9 Received radiation pattern in horizontal plane for active phased array antenna

圖10 有源相控陣天線垂直面接收方向圖Eig.10 Received radiation pattern in vertical plane for active phased array antenna

圖11 有源相控陣天線水平面發(fā)射方向圖Eig.11 Transmitting radiation pattern in horizontal plane for active phased array antenna

圖12 有源相控陣天線垂直面發(fā)射方向圖Eig.12 Transmitting radiation pattern in vertical plane for active phased array antenna

由測(cè)試結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的星載毫米波有源相控陣天線可以在二維空間±θ角度內(nèi)進(jìn)行接收/發(fā)射波束掃描，波束掃描中，峰值增益下降小于3 dB。發(fā)射掃描旁瓣抑制優(yōu)于15 dB，接收掃描旁瓣抑制優(yōu)于20 d B。該天線性能可以滿足星間通信、測(cè)距對(duì)有源相控陣天線的高頻段、大掃描角的性能需求，也驗(yàn)證了矢量調(diào)制器在星載毫米波段有源相控陣天線應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出采用矢量調(diào)制器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字移相器及衰減器，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)數(shù)字式移相器和衰減器的部分電性能局限性、尺寸大及難組裝等缺點(diǎn)。所設(shè)計(jì)的單片反射式矢量調(diào)制器，除了可以有效地實(shí)現(xiàn)幅相調(diào)制外，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，有利于TR組件的組裝及小型化，有助于更寬掃描角、更高頻段相控陣天線的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

但是，矢量調(diào)制器也有一些不足，其本身幅相調(diào)制的性能受限于其兩路控制電壓的精度，所以采用矢量調(diào)制器的相控陣天線要實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能，除了矢量調(diào)制器本身外，高精度的串并數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片也是其關(guān)鍵所在。

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（編輯：張小琳）

Vector Modulator and Its Appliaction in Satellite Phased Array Antenna

XUE Xin HAN Yunzhong JIANG Tao CHEN Tengbo EAN Zhanchun
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Accurate phase modulating is a key technology of satellite millimeter-wave active phased array antenna.By reason of complicated structure，large size and low precision of phase modulating，conventional digital phase shifter and attenuator is not an optimized option of satellite millimeter-wave active phased array antenna.In this paper，conventional digital phase shifter and attenuator is replaced by vector modulator，which directs carrier modulation on phase by voltage control.The results shows that vector modulator has small size and simple structure，and its precision of phase modulating is better than that of conventional digital phase shifter and attenuator.Based on this technique，millimeter-wave active phased array antenna for spacecraft has been designed，and the antenna is proved to steer the beam scanning accurately.The results verify the feasibility of millimeter-wave vector modulator used in satellite millimeter-wave active phased array antenna.

spacecraft；millimeter-wave；vector modulator；active phased arrayantenna

TN82

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.010

2015-01-07；

2015-05-07

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

薛欣，男，工程師，從事星載有源相控陣天線設(shè)計(jì)工作。Email：xuxwindy@163.com。