高可靠低功耗Ka頻段星載有源相控陣冗余備份技術(shù)*

姚亞利

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

從1964年在美國成立國際通信衛(wèi)星組織INTELSAT并于次年發(fā)射第一顆商用通信衛(wèi)星“Early Bird”以來，衛(wèi)星通信技術(shù)及其應(yīng)用蓬勃發(fā)展，目前已經(jīng)在軍事、民用、商用等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

就通信衛(wèi)星而言，星載天線是衛(wèi)星有效載荷的重要組成部分，對整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能有著重要影響[1]。衛(wèi)星天線用于對特定的目標(biāo)或地域發(fā)射或接收載有各種信息的信號(hào)，當(dāng)需要衛(wèi)星交換信息的目標(biāo)是可變的時(shí)候往往要求天線的波束也做相應(yīng)的變化[2]。相控陣天線因其具有輻射能力強(qiáng)、電掃描、波束捷變、多波束等特點(diǎn)[3-5]，能夠充分提升衛(wèi)星對地視場廣域范圍內(nèi)大規(guī)模分散用戶、快速機(jī)動(dòng)用戶的按需通信保障能力，提升衛(wèi)星多用戶保障能力以及通信容量，近年來已經(jīng)被應(yīng)用于高、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，包括移動(dòng)/窄帶、寬帶、防護(hù)、中繼等衛(wèi)星通信領(lǐng)域[4,6]。

在一般的裝備的設(shè)計(jì)中，可靠性已成為與性能同等重要的設(shè)計(jì)要求，是裝備設(shè)計(jì)工程的重要組成部分[7]。而星載產(chǎn)品工作于惡劣的太空環(huán)境中，長期遭受宇宙射線、高能粒子、大范圍溫度變化等影響，為了能夠在空間環(huán)境中長期可靠地工作，星載產(chǎn)品除了關(guān)注性能指標(biāo)外，可靠性也尤為重要。產(chǎn)品的可靠性是產(chǎn)品固有的特性，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)所賦予的，所以將可靠性設(shè)計(jì)真正融合、溶化于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制生產(chǎn)過程是保證衛(wèi)星高可靠性、長壽命的前提[7]。

備份冗余設(shè)計(jì)是提高星載產(chǎn)品可靠性最常用的方法之一，這種設(shè)計(jì)的基本思想是正常使用主路模塊時(shí)備份模塊關(guān)閉，當(dāng)主路模塊發(fā)生意外功能失效時(shí)則啟用備份電路模塊。對系統(tǒng)或單機(jī)中的“單點(diǎn)”電路進(jìn)行備份冗余設(shè)計(jì)是十分有效的，可以有效提高產(chǎn)品可靠性。

星載有源相控陣為特殊的陣列天線，其中，天線陣面和TR組件都是由多個(gè)獨(dú)立通道組成的，本身自帶冗余設(shè)計(jì)屬性，容許有一定的通道失效率，即少部分通道失效后，系統(tǒng)功能和任務(wù)仍然可以完成；而星載相控陣中的上/下變頻通道為“單點(diǎn)”電路，一般需要備份冗余設(shè)計(jì)。

在星載產(chǎn)品中，最常用來切換主備電路的器件是射頻開關(guān)[8-9]，也有大量的文獻(xiàn)對開關(guān)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了研究[10-12]。文獻(xiàn)[13]中討論了鐵氧體/機(jī)械開關(guān)、固態(tài)開關(guān)(PIN開關(guān)和FET開關(guān))和微機(jī)械(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)開關(guān)的工作機(jī)理、各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)以及優(yōu)缺點(diǎn)。其中，機(jī)械開關(guān)、鐵氧體開關(guān)體積較大，與單片毫米波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)組合困難，并不適用于高集成度的毫米波相控陣天線；而固態(tài)開關(guān)和MEMS開關(guān)均需要額外的驅(qū)動(dòng)電路，這無疑增加了系統(tǒng)的功耗及電路復(fù)雜度。

相比有源器件，無源器件不需要額外的驅(qū)動(dòng)電路，因而電路更簡單，可靠性更高，不消耗系統(tǒng)額外的功率。本文提出了用一分二功分器和分支線電橋用于冗余備份的方式，從理論上對兩者進(jìn)行了對比。對比結(jié)果說明采用電橋?qū)π诺垒敵龉β实囊蠼档停瓜到y(tǒng)具有功耗、熱耗優(yōu)勢。最終選擇了電橋用于星載有源相控陣上變頻模塊的備份，并將分支線電橋集成于波束形成網(wǎng)絡(luò)，介紹了“電橋+網(wǎng)絡(luò)”模塊的研制過程，給出了該模塊的仿真結(jié)果、實(shí)物圖片和測試結(jié)果等。

1 星載有源相控陣

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

星載有源相控陣天線由天線陣面、TR組件、波束形成網(wǎng)絡(luò)、變頻模塊、頻綜、電源模塊、波控器等組成，其組成框圖如圖1所示。

圖1 星載有源相控陣組成框圖

以發(fā)射鏈路為例，中頻信號(hào)經(jīng)上變頻[14]后，由波束形成網(wǎng)絡(luò)分配至各TR組件，再經(jīng)TR組件移相、放大后送入天線陣面中各個(gè)單元，最終向指定的方向輻射信號(hào)。發(fā)射天線要實(shí)現(xiàn)一定的等效全向輻射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP),而鏈路中的功率放大器芯片效率往往有限，因此相較接收天線需要消耗更多的功耗，熱耗也更大。星載平臺(tái)空間有限，工作環(huán)境相對惡劣，更要慎重考慮功耗、熱耗與體積之間的平衡。

1.2 冗余備份

由于其特殊的應(yīng)用平臺(tái)和環(huán)境，星載產(chǎn)品中重要的、相對高失效率的單點(diǎn)電路往往需要備份。

如圖1所示，有源相控陣中有多個(gè)射頻通道和輻射單元，個(gè)別TR組件產(chǎn)生故障只會(huì)導(dǎo)致天線性能的緩慢而有限下降，而其中的變頻模塊則不然。由于器件的輸出功率水平有限，各級(jí)傳輸線的損耗，以及鏈路穩(wěn)定性、平坦度、線性度的要求，變頻模塊必須設(shè)計(jì)成多個(gè)中等增益放大器級(jí)聯(lián)，邊衰減邊放大，所以整個(gè)鏈路效率低。而末級(jí)功放需要輸出的信號(hào)功率為26 dBmW，根據(jù)整機(jī)熱仿真結(jié)果，該功放芯片結(jié)溫高達(dá)93.6℃，達(dá)不到I級(jí)降額要求，可靠性降低，本身屬于相對高失效率的單點(diǎn)模塊。唯一的變頻通道若失效，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)相控陣天線失效，所以必須對其進(jìn)行備份。

在星載產(chǎn)品中，最常用來切換主備電路的器件是射頻開關(guān)。毫米波相控陣具有集成度高等特點(diǎn)，機(jī)械開關(guān)、鐵氧體開關(guān)體積較大，顯然難以集成；而固態(tài)開關(guān)和MEMS開關(guān)均需要額外的驅(qū)動(dòng)電路，這無疑增加了系統(tǒng)的功耗及電路復(fù)雜度。

相比有源器件，無源器件不需要額外的驅(qū)動(dòng)電路，因而電路更簡單,可靠性更高,不消耗系統(tǒng)額外的功率，所以用無源器件來替代開關(guān)用于主備切換十分必要。由圖2可知，至少需要一個(gè)三端口或更多端口器件來互聯(lián)波束形成網(wǎng)絡(luò)(可拆分)、主路變頻、備份變頻。以一分N端口的波束形成網(wǎng)絡(luò)為例，三端口器件可用一分二功分器，波束形成網(wǎng)絡(luò)與無備份時(shí)相同，備份原理框圖如圖2(a)所示；四端口器件可用分支線電橋，波束形成網(wǎng)絡(luò)須拆分為兩個(gè)，且TR組件中一半通道的移相器須補(bǔ)償90°相移，備份原理框圖如圖2(b)所示。后文從多端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)理論比較了兩種無源器件用作冗余備份時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖2 用無源器件備份原理框圖

2 兩種無源器件對比

2.1 S參數(shù)及鏈路損耗對比[15]

以理想的一分二威爾金森功分器為例，威爾金森等效傳輸線電路如圖3所示。

圖3 威爾金森功分器等效傳輸線電路

從端口1輸入的功率對等的分配給端口2和端口3，其[S]矩陣如下：

(1)

從散射矩陣中可以看出，信號(hào)從端口2傳輸至端口1時(shí)，功率降低一半，對應(yīng)圖2(a)可知，信號(hào)從主/備變頻輸出端經(jīng)一分二功分器后功率損失一半，相應(yīng)地，系統(tǒng)指標(biāo)EIRP也將降低3 dB。也就是說，若要實(shí)現(xiàn)相同的系統(tǒng)EIRP，發(fā)射功率必須增大一倍，或陣面規(guī)模必須擴(kuò)大一倍，這樣是需要以增加系統(tǒng)功耗或尺寸為代價(jià)的。

3 dB電橋是通信系統(tǒng)中常用的無源器件，尤其是在射頻、微波電路與系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[16]，例如功率信號(hào)的分路與合成，用來作為系統(tǒng)中的加法器和減法器，以及結(jié)合其他器件構(gòu)成反射型移相器等[17]。分支線3 dB電橋的原理圖如圖4所示。

圖4 分支線3 dB電橋原理圖

從端口1輸入的功率對等的分配給端口2和端口3，這兩個(gè)輸出端口之間有90°相移，沒有功率耦合到端口4(隔離端)。其[S]矩陣如下[18]：

(2)

在電橋中，從端口1輸入的功率也是對等的分配給端口2和端口3，但是，對應(yīng)圖2(a)可知，信號(hào)從主/備變頻輸出端經(jīng)電橋后，對等分配的兩路信號(hào)全部進(jìn)入了波束形成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而輸入至TR組件，再通過天線陣面輻射出去。與前面的一份二功分器方案相比，顯然沒有3 dB的功率損失，對系統(tǒng)的功耗和尺寸影響降到了最低。

2.2 可靠性對比

使用芯片開關(guān)、功分器、電橋三種方案備份的信道可靠性預(yù)計(jì)對比如表1所示。

表1 可靠性預(yù)計(jì)對比

從表1可以看出，使用芯片開關(guān)的可靠性明顯低于功分器和電橋兩種無源方案，其中電橋方案的可靠性最高。

2.3 對比小結(jié)

根據(jù)前面對功分器和電橋兩種無源器件備份方案的對比分析可知，在保證高可靠性的同時(shí)，電橋不會(huì)造成額外的功率損失，具有較大優(yōu)勢，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)分支線電橋和波束形成網(wǎng)絡(luò)集成與一體的模塊，用于星載有源相控陣中變頻模塊的備份。

3 波束形成網(wǎng)絡(luò)研制

在本方案中，由于星載相控陣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的體積、重量、安裝方式受限，而微帶線具有加工簡單、體積小、重量輕、帶寬適中、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此波束形成網(wǎng)絡(luò)采用微帶線方案。該方案體積最小且易于焊接。

3.1 仿真設(shè)計(jì)

以一分二功分器單元和電橋?yàn)榛A(chǔ)，構(gòu)成波束形成網(wǎng)絡(luò)，仿真模型如圖5所示。

圖5 波束形成網(wǎng)絡(luò)仿真模型

采用HFSS對以上模型進(jìn)行全波仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

(a)電壓駐波比隨頻率變化曲線

(b)傳輸系數(shù)幅度隨頻率變化曲線

(c)傳輸系數(shù)相位隨頻率變化曲線圖6 波束形成網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

波束形成網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示，其中相位一致性已扣除90°相位差。

表2 波束形成網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

從圖6和表2可見，在工作頻段23.5～25 GHz內(nèi)，波束形成網(wǎng)絡(luò)的測試駐波比小于1.29，均方根幅度一致性小于0.21 dB,均方根相位一致性小于0.6°，損耗(含分配損耗)小于16.25 dB(即插入損耗小于1.15 dB)。

3.2 測試結(jié)果

以一分二功分器單元和電橋?yàn)榛A(chǔ)，構(gòu)成波束形成網(wǎng)絡(luò)，接口形式為SMP，通過SMP-KK與TR組件相連接。為了減小焊接空洞率和保證SMP連接器焊接良好，設(shè)計(jì)加工了專用焊接工裝對印制板和連接器進(jìn)行焊接。波束形成網(wǎng)絡(luò)實(shí)物照片如圖7所示。

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，結(jié)果如圖8所示。圖8(a)和圖8(b)分別給出了分別從3 dB電橋的兩個(gè)端口輸入信號(hào)時(shí)的測試結(jié)果，測試結(jié)果包含端口駐波比、傳輸系數(shù)幅度、傳輸系數(shù)相位等指標(biāo)。

(a)左端口輸入信號(hào)測試結(jié)果

(b)右端口輸入信號(hào)測試結(jié)果

波束形成網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果總結(jié)如表3所示,其中相位一致性已扣除90°相位差。

表3 波束形成網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果

從圖8和表3中的測試結(jié)果可見，在工作頻段23.5～25 GHz內(nèi)，波束形成網(wǎng)絡(luò)的測試駐波比小于1.8，均方根幅度一致性小于0.4 dB,均方根相位一致性小于4.8°，損耗(含分配損耗)小于17.7 dB(即插入損耗小于2.6 dB)。由于加工、焊接等帶來的誤差，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果略不一致，但各項(xiàng)性能仍然良好，可完成星載相控陣中的功率分配和變頻模塊備份功能。

4 結(jié) 論

本文提出將電橋集成于原有的波束形成網(wǎng)絡(luò)來對Ka頻段星載有源相控陣中的變頻模塊進(jìn)行冷備份。基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)并研制了集成電橋的波束形成網(wǎng)絡(luò)。在工作頻段23.5～25 GHz內(nèi)，該網(wǎng)絡(luò)的測試駐波比小于1.8，均方根幅度一致性小于0.4 dB,均方根相位一致性小于4.8°，插入損耗小于2.6 dB。相比使用開關(guān)等有源器件，這是一種更簡單、高可靠、低功耗的冗余備份技術(shù)，非常適用于星載有源相控陣。