Ku波段高速宽带射频通信系统利用波束赋形技术

本文射频通信系统基于Ku波段,综合运用了多通道MIMO技术、智能电扫阵列天线、OFDM波束成形、超高速跳频、低相噪低杂散频率合成等先进性技术,可用于干线节点实现超高速数传、组网、中继,并具有较好的抗干扰能力,可广泛应用于多种通信领域。
关键词:Ku波段,多通道MIMO;智能电扫阵列天线;波束成型;超高速跳频;低相噪低杂散频率合成。
引言
当今的信息大爆炸时代,媒质承载的信息量越来越大,特别是高清多媒体视频流,对信息传输的实时性要求越来越高,这些需求促使信息传输速率逐步攀升,现阶段无线通信技术蓬勃发展,LTE、5G技术接踵而至。由香农定理我们可知,无线通信的速率与信道带宽相互关联,带宽越宽,速率就越高,容量也就越大。而在VHF、UHF、L、S等较低频段,频谱资源拥挤,可用带宽有限,因此向更高的频段发展,以获得更宽的信道带宽,是未来通信系统发展的必然趋势。
1、系统方案设计
本文提出的Ku波段高速宽带射频通信系统利用波束赋形技术,用呈90°分布的4面阵列天线覆盖全360°范围,每面阵列天线由4列阵元组成,分别连接4个TR组件,经幅度及相位加权后汇集到同1路变频通道,组成4*4 射频MIMO系统。公共资源及上层管理全部集中到中央单元,以方便互联。在车载型结构中,中央单元通过连接器与各TR组件相连,以信令交互进行控制,各TR组件具有独立的基带处理单元,也可将数字中频送到中央处理器集中处理(实现空间分集),总体框图如下图1所示。

图1、系统总体框图
与传统的单收单发系统相比,本系统方案基于军事战术应用抗干扰、保密、高速、大容量、自适应的整体需求,综合考量Ku波段信号自身波长短,方向性较强、传输损耗大等不利因素,采用了主流的OFDM调制技术,使得系统的抗干扰能力更强,同时可以获得较高的频谱利用率;采用了MIMO及智能天线技术,合理利用波束分集和天线空间复用的性能,使得系统能够尽可能地支持多用户,多方向、自适应的大容量数据传输的前提下,可以有效
抵抗信号传输过程中多径衰落对系统性能造成的影响。系统的初步布局如下图2所示:

图2、系统初步布局图
2、子系统方案设计
2.1天线设计
为了降低系统整体轮廓,天线部分采用均匀线阵形式的微带天线,可利用阵列波束赋形技术,实现高定向性、宽覆盖和抗衰落。该种类型天线设计通过对天线阵元的激励源进行幅/相加权,实现多扇面扫描。此外还可以实现对干扰源测向,若检测到干扰,则通过波束赋形,使天线方向图在干扰方向形成零陷,抑制干扰。天线系统的主副辦扫描示意图如下图3所示。

图3、天线阵列及主副辦扫描示意图
2.2收发链路设计
收发链路包括TR组件及变频通路,可根据需求灵活裁剪,在微波射频前端采用了全数字的移相衰减器,在变频电路中,采用了超外差二次变频电路,混频方式为高射频低本振,降低频率合成器的实现难度,此外电路中设计AGC控制电路、保护隔离电路,频率选择电路对接收的信号进行选频、变频、线性化放大处理,最终提供给基带处理器进行信号解调。收发链路的原理框图如下图4所示。

图4、收发链路原理框图
2.3频率合成器设计
通常来说,可用的频率合成方式有直接频率合成(DS)、间接频率合成(PLL)以及直接数字式频率合成(DDS)三种。
本设计中的频率合成器通过方案最终采用DDS倍频与PLL点频源混频实现最终的跳频源一本振输出,而接收和发射相位校准参考源则直接采用了PLL跳频输出的方式实现,总的频率源合成方案如图5所示,方案的整体思想是将晶振信号经一分四的功分器分成4路,一路信号作为发射和接收相位校准参考频率源的时钟,经PLL跳频锁定产生C波段的信号,然后经滤波和二倍频输出Ku波段的参考频率源;另一路信号作为基带处理器的参考时钟;第三路信号作为C波段点频源的参考时钟,经PLL锁定产生C波段的点频信号,然后与DDS输出的跳频信号混频产生上变频C波段的射频信号,再经二倍频最终产生X波段的一本振信号;最后一路信号作为L波段点频源的参考时钟,经PLL锁定产生L波段的点频信号,再功分两路,一路经滤波放大作为系统二本振,另一路作为跳频DDS的参考时钟,产生VHF频段的跳频信号,经滤波、放大及两次2倍频产生L波段的跳频信号与C波段点频源进行混频、滤波、放大、倍频产生X波段一本振信号。在频率源实现过程中,由于涉及到了较多的PLL频率合成、倍频、混频、放大等电路,因此变频过程中的杂散抑制或者规避就显得尤为重要,否则杂散信号的干扰将影响系统的通信质量。

图5、频率合成器原理框图
3、散热设计
经过模型仿真,在大功率连续波情况下,若散热性能不佳,不但会降低功放输出的功率,严重时甚至还会使功率器件烧毁,因此功放局部的热设计同样是系统设计成败的关键。一般将功放器件有源区称为结或者沟道,器件的有源区温度称为结温或者沟道温度Tch。为了保证器件不被烧毁,其沟道温不能超过一个最高允许温度Tchmax,其大小由晶体管机构、管芯材料、衬底材料等因素决定。功率器件自身的散热能力用热阻Rt来表征,定义为Rt=Δt/Q,其中Δt代表温差,Q为热流量。Rt的单位为℃/W,热阻与管芯和衬底材料的导热率、厚度、截面积、加工工艺以及封装形式都有关系。通过热阻可以计算出沟道温度Tch,其计算公式为:
Tch RPdissT0
其中Pdiss 为耗散功率,T为环境温度。从公式中可以看出,热阻越大功放的散热能力就越差。实际情况中,除了功放器件自身的热阻外,还有安装功放的腔体热阻R、散热器热阻R以及各个部分之间接触不紧密或材料导热系数差异带来的接触热阻R,因此完整的沟道温度Tch 的计算公式为:
Tch= ( RRRR)x PdissT0
除了功率器件自身的热阻R之外,其它的热阻都难以得到,因而为了方便计算,将上述公式中不容易得到的参数项合并到最后一项中,使其表征为一个相对的环境温度,得到如下计算公式:
TchRPdiss + [( RRR)x PdissT0] = RPdiss +T0
其中T为功放器件管壳的温度,若器件和腔体紧密接触能够良好地传热,即可忽略器件与腔体的接触电阻,这是T表示的是与功放器件相接触位置腔壁的温度。将Tch 取为Tchmax ,通过上述公式可以计算出耗散功率Pdiss 的情况下,功放器件可承受的最高腔壁温度。通过极限温度以及耗散功率即可对散热结构进行仿真设计。理论上,只要保证Tch<Tchmax 功放器件就都不会烧毁,但在实际的工程应用中,为了延长器件的使用寿命以及确保工作稳定性,应尽量保证Tch<Tchmax×0.8。
目前工程上常用的散热方式有肋片散热、相变冷却、热管传热、温差电制冷等。使用最多的散热方式是肋片散热齿,按照散热齿结构的不同又可分为片式散热齿和柱式散热齿。柱式散热齿风道不封闭,散热效果不如片式散热齿明显,故在本系统方案中采用了片式散热齿的散热方式,理论上散热齿越高散热效果越好,但是齿本身的宽度和齿间距也会对散热效果有影响,其散热效果可通过热设计软件来仿真优化(Flotherm)。散热齿采用铝材,兼顾系统减重的要求,系统设计的散热底座设计结构如下图6所示,基本可以满足系统的散热需求。

图6、散热底座外形结构图
除上述辅助散热设计策略外,工程中还在功放底部增加了导热硅脂、导热胶等,同时各T/R组件分散布局,降低热源的集中,增强系统的可靠性。
4、工程设计验证
依据系统设计方案,我们测试天线,频率合成器工程测试结果与设计基本相当,典型的频率合成器DDS+PLL的相位噪声及跳频时间测试曲线如下图7-8所示:

图7、DDS相位噪声及跳频时间测试曲线

图8、PLL相位噪声及跳频时间测试曲线
测试收发链路指标,当中频输入140MHz调制信号,调制方式为64QAM,滚降因子设置0.3,符号率30Mbps时,其典型的发射EVM为6.09%,邻道抑制比优于-35dBC@50MHz offset,测试结果如图9所示:

图9、发射EVM及邻道抑制比测试结果
5、应用场景
现阶段基于Ku波段的高速宽带射频通信系统主要应用于点对点,点对多点,中继及多级自组网等领域,可以极大的拓展节点通信的性能和系统容量,其主要的应用场景示意如下图10所示。

图10、应用场景示意
6、结束语
本文提出的Ku波段高速宽带射频通信系统设计综合运用了多通道MIMO技术、智能电扫阵列天线、OFDM波束成形、超高速跳频、低相噪低杂散频率合成等先进性技术,采用微波平面阵列,可用于干线节点实现超高速数传、组网、中继,并具有较好的抗干扰能力,可广泛应用于多种通信领域,已研制样机性能基本上符合预期的设计需求,实际工程验证结果良好。
参考文献:
【1】陈长富,Ku波段高增益微带阵列天线研究与设计,吉林大学2013
【2】张玉怀,Ku波段卫星通信收发系统射频前端的研制,电子科技大学,2008
【3】蒋志军,一种实用的Ku波段车载应急卫星通信系统,南京理工大学,2007
【4】黄维辰,面向下一代移动通信系统的多通道射频收发信机以及频率源的研究,东南大学,2017
【5】李吉,基于南方Ku波段卫星通信雨衰分析及对抗措施分析,科技创新导报,2017作者:王超,江苏如是地球空间信息科技有限公司

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