分布式天線陣列中的參考相位穩(wěn)定方法*

周文濤

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

0 引 言

以大規(guī)模相控陣天線為傳感器平臺(tái)的測(cè)控、雷達(dá)及通信系統(tǒng)，天線陣列多采用分布式架構(gòu)，常被劃分成若干個(gè)天線子陣或者一組空間分開的天線陣，從而實(shí)現(xiàn)大口徑的天線面積，具有更高的天線增益和更高的測(cè)量精度[1]。

在分布式天線陣列中，中心機(jī)房與每個(gè)天線之間距離不同，通過電纜傳輸天線所需要的頻率參考信號(hào)，每個(gè)天線進(jìn)一步基于該參考信號(hào)生成本振、處理時(shí)鐘等信號(hào)。受限于傳輸距離的不同、外界環(huán)境因素的變化，天線之間的頻率參考相位同步對(duì)于分布式天線陣列至關(guān)重要。

與可以精確控制互連電纜長(zhǎng)度的傳統(tǒng)集中式天線陣列不同，分布式天線陣列必須利用額外的方法來保證天線之間的同步。文獻(xiàn)[2]通過開環(huán)校準(zhǔn)操作獲得路線差異，但是它易受溫度波動(dòng)或機(jī)械應(yīng)力引起的路徑長(zhǎng)度變化的影響。文獻(xiàn)[3-4]使用反饋無線線路來實(shí)現(xiàn)相位-頻率同步，參考信號(hào)被分配給所有遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，然后被無線路由回中心機(jī)房，中心機(jī)房上的處理器執(zhí)行同步算法以補(bǔ)償遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)之間的參考相位差。然而，這種基于無線的反饋同步方法受到無線質(zhì)量的強(qiáng)烈影響，使得難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列。文獻(xiàn)[5]中，系統(tǒng)中的所有頻率參考信號(hào)接收器通過同軸電纜由同一時(shí)鐘同步，這適用于室內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中短距離同軸電纜衰減可以忽略不計(jì)。但對(duì)于分布式陣列天線分散在數(shù)百到數(shù)千米之外的典型場(chǎng)景，電纜之間的衰減和電磁干擾將嚴(yán)重惡化信號(hào)完整性。

與同軸電纜相比，光纖鏈路具有帶寬寬、傳播損耗低、抗電磁干擾能力強(qiáng)、重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)[6]，但應(yīng)用于分布式天線陣列時(shí)，同樣需利用額外的方法來保證天線之間的同步。文獻(xiàn)[7]提出基于光纖的射頻穩(wěn)相傳輸，引入了相位校正的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)來抵消光纖隨環(huán)境溫度的變化；文獻(xiàn)[8-9]使用基于光學(xué)裝置的反饋回路來保證到達(dá)任何天線的參考信號(hào)的定時(shí)穩(wěn)定。

本文提出的方法旨在實(shí)現(xiàn)一種相位穩(wěn)定器，可以動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償遠(yuǎn)程天線單元之間光纖長(zhǎng)度差異以及外部環(huán)境因素造成的參考相位變化。構(gòu)建基于光纖的鎖相環(huán)，以將參考信號(hào)傳播到所有天線單元并不斷跟蹤反饋信號(hào)，以補(bǔ)償由光纖長(zhǎng)度和外部環(huán)境變化引起的相位差。

1 系統(tǒng)模型

在分布式天線陣列中，每個(gè)天線必須接收高度穩(wěn)定的公共頻率參考信號(hào)。該參考信號(hào)在中心機(jī)房產(chǎn)生，并通過具有不同長(zhǎng)度的光纖傳輸?shù)讲煌炀€，這使得每個(gè)天線接收到的參考信號(hào)的相位存在偏差。此外，由系統(tǒng)散熱和晝夜循環(huán)引起的纖維熱膨脹會(huì)產(chǎn)生明顯的纖維長(zhǎng)度波動(dòng)。

鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop，PLL)被認(rèn)為是保持兩個(gè)信號(hào)同相的有效方法，廣泛用于參考信號(hào)分配和同步。傳統(tǒng)的PLL主要包括用于檢測(cè)正向信號(hào)和反饋信號(hào)之間的相位差的相位頻率檢測(cè)器(Phase Frequency Detector，PFD)、電荷泵(Charge Pump，CP)和低通環(huán)路濾波器(Low-pass Loop Filter，LPF)，以產(chǎn)生與相位成比例的輸出電壓差值vcp，壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)的瞬時(shí)振蕩頻率由vcp確定?；趥鹘y(tǒng)PLL結(jié)構(gòu)的參考相位穩(wěn)定系統(tǒng)模型如圖1所示。中心機(jī)房?jī)?nèi)的參考信號(hào)作為PFD的第一輸入，VCO輸出信號(hào)電/光轉(zhuǎn)換后通過光纖鏈路傳輸?shù)椒植际教炀€,在天線側(cè)通過光/電轉(zhuǎn)換后恢復(fù)參考信號(hào)。為了適應(yīng)遠(yuǎn)距離的傳輸，常采用單模光纖。然而，由于光纖長(zhǎng)度的差異以及外部環(huán)境因素的變化，在天線測(cè)恢復(fù)的參考信號(hào)相位變得未知。為了實(shí)現(xiàn)天線間參考信號(hào)相位同步，將恢復(fù)的參考信號(hào)通過相同的光纖鏈路傳輸回至中心機(jī)房，中心機(jī)房對(duì)應(yīng)設(shè)備接收該反饋信號(hào)并將其作為上述PFD的第二輸入用于檢測(cè)參考信號(hào)相位變化。

圖1 基于傳統(tǒng)PLL結(jié)構(gòu)的參考相位穩(wěn)定系統(tǒng)模型

以第i個(gè)天線為例，由光纖長(zhǎng)度Li引起的積分相位漂移Φfi由下式給出：

(1)

式中：λ是光纖中傳輸?shù)男盘?hào)的波長(zhǎng)。在中心機(jī)房產(chǎn)生的原始參考信號(hào)表示為

sr=cos(ωr·t+φr)。

(2)

式中：ωr和φr是該原始信號(hào)的頻率和初始相位。

經(jīng)PLL VCO輸出的信號(hào)表示為

sv=cos(ωv·t+φv) 。

(3)

式中：ωv和φv是VCO輸出信號(hào)的瞬時(shí)頻率和相位。

在信號(hào)由中心機(jī)房傳輸至不同天線的路徑內(nèi)，除光纖鏈路外，光/電轉(zhuǎn)換器件以及天線組件內(nèi)的各電路和元器件會(huì)引入信號(hào)相位的偏移φm，且信號(hào)的前向傳輸通道與反饋通道是對(duì)稱分布的。因此，第i個(gè)天線接收的參考信號(hào)可以表示為

sAUi=cos(ωv·t+φv-φfi-φm) 。

(4)

式中：φfi是第i個(gè)天線光纖傳輸鏈路引入的相位變化。因此，在中心機(jī)房PLL PFD第二個(gè)輸入端口的反饋信號(hào)可寫為

sfb=cos(ωv·t+φv-2·φfi-2·φm) 。

(5)

為了使得sr與sfb在相位上對(duì)齊，保證不同天線收到的參考信號(hào)相位不存在偏差，所以有

ωv·t+φv-2·φfi-2·φm=ωr·t+φr-2kπ,k∈。

(6)

同時(shí)由于

ωv=ωr。

(7)

所以可以得到

sAUi=cos(ωr·t+φr-2kπ+φfi+φm),k∈。

(8)

其中φm針對(duì)每個(gè)天線被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，由光纖鏈路引入的相位變化φfi始終存在于天線端的接收參考信號(hào)sAUi中，使得每個(gè)天線接收到的參考信號(hào)的相位存在偏差。

2 分布式陣列參考相位穩(wěn)定方法

為了上述消除φfi對(duì)式(8)的影響，本文提出采用n級(jí)聯(lián)模擬無源移相器代替圖1所示前向通道上的VCO，其相移由控制器的調(diào)諧電壓電平進(jìn)行控制，同時(shí)在反饋通道上添加了n個(gè)相同的級(jí)聯(lián)移相器。圖2給出了所提出的相位穩(wěn)定器系統(tǒng)的原理框圖。

圖2 分布式陣列參考相位穩(wěn)定器原理框圖

將每個(gè)移相器引入的相移表示為φpsi，因此，每個(gè)分布式天線接收的參考信號(hào)可以表示為

sAUi=cos(ωr·t+φr-n·φpsi-φfi-φm),

(9)

那么此時(shí)在中心機(jī)房PFD第二個(gè)輸入端口的反饋信號(hào)可寫為

sfb=cos(ωr·t+φr-2·n·φpsi-2·φfi-2·φm) 。

(10)

憑借PFD的作用，式(10)與式(2)是相位對(duì)齊的，因此，可以得到

2·n·φpsi+2·φfi+2·φm=2kπ,k∈。

(11)

所以，

sAUi=cos(ωr·t+φr-kπ),k∈。

(12)

對(duì)比式(12)與式(8)可以發(fā)現(xiàn)，采用本文提出的參考相位穩(wěn)定方法可有效解決光纖鏈路帶來的相位φfi變化影響，但是與sr存在180°的相位模糊。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于光纖的射頻穩(wěn)相傳輸，引入了相位校正的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)來抵消光纖隨環(huán)境溫度的變化，但是存在180°相位模糊。

為了消除該模糊，本文提出在天線端光/電轉(zhuǎn)換后增加一個(gè)PLL，如圖2所示。第i個(gè)天線端PLL輸出信號(hào)Spll,i可表示為

spll,i=cos(ωpll,i·t+φpll,i)。

(13)

PLL內(nèi)部N分頻器將Spll,i反饋回PLL內(nèi)的PFD，其中Spll,i和sAUi是相位對(duì)齊的。因此，可以得到

(14)

ωpll,i=Ndivωr，

(15)

φpll,i=Ndivφr-(2m+k)Ndivπ,k∈,m∈。

(16)

設(shè)置Ndiv為偶數(shù)，那么式(16)可以表示為

φpll,i=Ndivφr-2uNdivπ,u∈。

(17)

因此，可以得到

Spll,i=cos(Ndivωrt+Ndivφr-2uNdivπ),u∈。

(18)

從式(18)可以看出，在不同的天線端接收到的參考信號(hào)Spll,i是相位對(duì)齊的，沒有相位模糊。

如圖2所示，本文所提出的相位穩(wěn)定器大多數(shù)部件位于中心機(jī)房對(duì)應(yīng)信號(hào)處理板上，減輕了天線的負(fù)擔(dān)，有利于天線的快速部署和低維護(hù)成本?；诠饫w的PLL結(jié)構(gòu)是本文提出相位穩(wěn)定器最重要的前提。每個(gè)移相器的相移范圍取決于控制引腳上的調(diào)諧電壓，該電壓來自電荷泵輸出。

分布式陣列參考相位穩(wěn)定器工作流程如圖3所示，工作流程如下：

Step1 初始狀態(tài)，中心機(jī)房參考時(shí)鐘輸出遠(yuǎn)端天線參考信號(hào)，前向移相器移相值置為零。

Step2 PFD工作狀態(tài)，當(dāng)PFD從低功率模式喚醒并開始執(zhí)行相位同步時(shí)，如果PFD首先采樣前向信號(hào)，則PFD認(rèn)為φr-φfb為正；否則，如果首先對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，則PFD認(rèn)為φr-φfb為負(fù)。這里φr和φfb是PFD的兩個(gè)輸入端口處的前向信號(hào)和反饋信號(hào)的瞬時(shí)相位。

Step3 同步完成狀態(tài)，經(jīng)多級(jí)前向移相器和反向移相器工作，滿足PFD的φr-φfb=0°。

圖3 分布式陣列參考相位穩(wěn)定器工作流程圖

在Step 2中，當(dāng)φr-φfb∈(0°，360°)時(shí)，PFD輸出將是一系列正脈沖，其持續(xù)時(shí)間與φr-φfb成正比，如圖4(a)所示。可以看到移相器的控制信號(hào)(Phase Shifter,PS)控制輸入是PFD輸出的低頻分量，它逐漸增加。因此，移相器開始調(diào)整并補(bǔ)償φr-φfb，直到φr-φfb=0°;相反，當(dāng)φr-φfb∈(-360°，0°)時(shí)，PFD輸出將是一系列負(fù)脈沖，如圖4(b)所示。與上面的分析類似，可以得出結(jié)論：由前向與反饋通道共2n個(gè)移相器產(chǎn)生的可調(diào)相位范圍應(yīng)該至少包括的移相范圍為(-360°，360°)。

(a)φr-φfb為正

(b)φr-φfb為負(fù)圖4 PFD輸出和移相器控制輸入的變化

3 樣機(jī)測(cè)量

為驗(yàn)證所提出的參考相位穩(wěn)定方法，構(gòu)建了一個(gè)樣機(jī)評(píng)估系統(tǒng)，如圖5所示。樣機(jī)包含一個(gè)位于中心機(jī)房的參考信號(hào)分發(fā)模塊和兩個(gè)遠(yuǎn)程天線模塊(不包含天線陣面，僅包含圖2所示的相位校正的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng))。天線模塊通過光纖與參考信號(hào)分發(fā)模塊連接，光纖為單模光纖，兩個(gè)獨(dú)立天線模塊放置于同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，通過不同光纖長(zhǎng)度模擬分布式陣列中不同天線模塊分布。改進(jìn)型PLL和移相器位于參考分發(fā)模塊的右邊緣。為了驗(yàn)證所提出的相位穩(wěn)定方法的有效性，光纖的長(zhǎng)度是不同的。分布式陣列參考相位穩(wěn)定器原理樣機(jī)參數(shù)如表1所示。

圖5 本文相位穩(wěn)定器樣機(jī)評(píng)估系統(tǒng)

表1 樣機(jī)參數(shù)

圖6是電子-光學(xué)轉(zhuǎn)換模塊的物理實(shí)現(xiàn)的俯視圖。每個(gè)模塊包含3個(gè)信號(hào)IO端口，即發(fā)送器(Tx)SMA端口、接收器(Rx)SMA端口、光學(xué)SFP端口。Rx端口接收參考電信號(hào)發(fā)送到電/光轉(zhuǎn)換器，并且被饋送到SFP端口處的光纖；相反，反饋光信號(hào)在同一SFP端口接收，轉(zhuǎn)換回電信號(hào)并在Tx端口發(fā)出。

圖6 電子-光學(xué)轉(zhuǎn)換模塊的物理實(shí)現(xiàn)俯視圖

首先，測(cè)量一個(gè)移相器的調(diào)諧電壓和相移值之間的關(guān)系，如圖7所示。根據(jù)所選擇的移相器型號(hào)，可以看到相移隨著調(diào)諧電壓?jiǎn)握{(diào)減小，當(dāng)調(diào)諧電壓設(shè)置在7.5～15 V時(shí)，相移為負(fù)，范圍為-130°～0°；當(dāng)調(diào)諧電壓設(shè)置在0～7.5 V時(shí)，相移為正，范圍為140°～0°。值得注意的是，本文搭建的樣機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，單個(gè)移相器的全相移范圍為-130°～140°。為確保上述所要求的-360°～360°的總相移范圍，n指定為2，前向通道上放置兩個(gè)移相器，在反饋通道上放置兩個(gè)移相器，實(shí)現(xiàn)-520°～560°的總移相器范圍。

圖7 樣機(jī)測(cè)試相移值與調(diào)諧電壓的關(guān)系

樣機(jī)另一個(gè)挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)低通環(huán)路濾波器輸出和移相器控制引腳之間的接口電路。在樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)中，LPF輸出電壓的擺幅僅為0～3 V，而圖7中的移相器控制引腳需要從0～15 V的調(diào)諧電壓擺幅，因此本文設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓放大器電路來放大LPF輸出電壓。放大器電路輸出可表示為

(19)

式中：v0是vamp斜面的初始狀態(tài)。式(19)中的積分器是確定vamp的主要部分，當(dāng)PLL鎖定時(shí)，vamp將保持不變。任何相位未對(duì)準(zhǔn)都會(huì)導(dǎo)致PLL解鎖并強(qiáng)制vcp上升或下降，直到PLL再次被鎖定。同時(shí)，在積分器的作用下，vamp隨vcp變化，直到vcp重新變?yōu)?.5 V。通過正確選擇R2和C3來控制積分時(shí)間。

如圖8所示，當(dāng)處于初始狀態(tài)(曲線A-B)時(shí)，移相器的控制輸入連接到7.5 V DC電壓。同時(shí)，前向信號(hào)和反饋信號(hào)是相位未對(duì)準(zhǔn)的。因此，環(huán)路濾波器輸出和放大器輸出均為0 V。在B點(diǎn)，開關(guān)將移相器控制引腳的連接從7.5 V DC電壓改變?yōu)榉糯笃鬏敵?，PLL開始生效。此時(shí)，放大器的輸出電壓鉗位至7.5 V(曲線B-C)。值得注意的是，移相器控制輸入從此時(shí)開始從7.5 V緩慢下降，并且移相器同時(shí)調(diào)整參考和路由返回信號(hào)之間的相位關(guān)系，直到它們相位對(duì)齊(曲線C-D)。

圖8 樣機(jī)LPF、放大器和移相器輸出信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)

圖9顯示了中心機(jī)房參考信號(hào)分發(fā)模塊上的前向參考信號(hào)和反饋信號(hào)的上電初始狀態(tài)。在本文搭建的樣機(jī)中，參考信號(hào)被設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)的10 MHz，初始相位差為216°。在采用本文提出的相位穩(wěn)定器的作用之后，反饋信號(hào)與參考信號(hào)相位對(duì)齊，如圖10所示，剩余相位差小于±0.02°。

圖9 參考正向信號(hào)和反饋信號(hào)的初始狀態(tài)(相位差為216°)

圖10 本文相位穩(wěn)定器使得反饋信號(hào)與參考正向信號(hào)相位對(duì)齊(剩余相位差小于±0.02°)

利用所提出的相位穩(wěn)定器對(duì)光纖長(zhǎng)度變化的相位誤差如圖11所示，其中，左縱軸表征傳統(tǒng)方法相位誤差，右縱軸表征本文方法相位誤差。天線通過不同長(zhǎng)度的光纜連接到中心機(jī)房，遠(yuǎn)端天線模塊恢復(fù)的參考信號(hào)與中心機(jī)房的參考信號(hào)之間的存在相位差?？梢钥吹剑床捎帽疚奶岢龅南辔环€(wěn)定器，遠(yuǎn)端天線與中心機(jī)房之間的相位差隨光纖長(zhǎng)度變化而顯著變化，約為17.14°/m。 然而，通過本文所提出的相穩(wěn)定器，相位差減小到小于±0.02°。

圖11 傳統(tǒng)方法和本文方法由光纖長(zhǎng)度差異引起的相對(duì)相位

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于光纖的分布式陣列參考相位穩(wěn)定方法，有效連續(xù)補(bǔ)償了天線之間由光纖長(zhǎng)度以及外界環(huán)境引起的參考相位誤差。采用n級(jí)聯(lián)模擬無源移相器代替?zhèn)鹘y(tǒng)PLL前向通道上的VCO，其相移由控制器的調(diào)諧電壓電平進(jìn)行控制，同時(shí)在反饋通道上添加了n個(gè)相同的級(jí)聯(lián)移相器，并在天線端光/電轉(zhuǎn)換后增加一個(gè)PLL，解決了光纖閉環(huán)反饋控制存在180°相位模糊問題。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，使用本文方法，當(dāng)光纖分發(fā)10 MHz參考信號(hào)時(shí)，測(cè)試可得分布式天線之間的剩余相位誤差小于±0.02°。