Ku波段高速寬帶射頻通信系統(tǒng)利用波束賦形技術

本文射頻通信系統(tǒng)基于Ku波段，綜合運用了多通道MIMO技術、智能電掃陣列天線、OFDM波束成形、超高速跳頻、低相噪低雜散頻率合成等先進性技術，可用于干線節(jié)點實現(xiàn)超高速數(shù)傳、組網、中繼，并具有較好的抗干擾能力，可廣泛應用于多種通信領域。

引言

當今的信息大爆炸時代，媒質承載的信息量越來越大，特別是高清多媒體視頻流，對信息傳輸?shù)膶崟r性要求越來越高，這些需求促使信息傳輸速率逐步攀升，現(xiàn)階段無線通信技術蓬勃發(fā)展，LTE、5G技術接踵而至。由香農定理我們可知，無線通信的速率與信道帶寬相互關聯(lián)，帶寬越寬，速率就越高，容量也就越大。而在VHF、UHF、L、S等較低頻段，頻譜資源擁擠，可用帶寬有限，因此向更高的頻段發(fā)展，以獲得更寬的信道帶寬，是未來通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

1、系統(tǒng)方案設計

本文提出的Ku波段高速寬帶射頻通信系統(tǒng)利用波束賦形技術，用呈90°分布的4面陣列天線覆蓋全360°范圍，每面陣列天線由4列陣元組成，分別連接4個TR組件，經幅度及相位加權后匯集到同1路變頻通道，組成4*4 射頻MIMO系統(tǒng)。公共資源及上層管理全部集中到中央單元，以方便互聯(lián)。在車載型結構中，中央單元通過連接器與各TR組件相連，以信令交互進行控制，各TR組件具有獨立的基帶處理單元，也可將數(shù)字中頻送到中央處理器集中處理（實現(xiàn)空間分集），總體框圖如下圖1所示。

圖1、系統(tǒng)總體框圖

與傳統(tǒng)的單收單發(fā)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)方案基于軍事戰(zhàn)術應用抗干擾、保密、高速、大容量、自適應的整體需求，綜合考量Ku波段信號自身波長短，方向性較強、傳輸損耗大等不利因素，采用了主流的OFDM調制技術，使得系統(tǒng)的抗干擾能力更強，同時可以獲得較高的頻譜利用率；采用了MIMO及智能天線技術，合理利用波束分集和天線空間復用的性能，使得系統(tǒng)能夠盡可能地支持多用戶，多方向、自適應的大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯?，可以有?/p>

抵抗信號傳輸過程中多徑衰落對系統(tǒng)性能造成的影響。系統(tǒng)的初步布局如下圖2所示：

圖2、系統(tǒng)初步布局圖

2、子系統(tǒng)方案設計

2.1天線設計

為了降低系統(tǒng)整體輪廓，天線部分采用均勻線陣形式的微帶天線，可利用陣列波束賦形技術，實現(xiàn)高定向性、寬覆蓋和抗衰落。該種類型天線設計通過對天線陣元的激勵源進行幅/相加權，實現(xiàn)多扇面掃描。此外還可以實現(xiàn)對干擾源測向，若檢測到干擾，則通過波束賦形，使天線方向圖在干擾方向形成零陷，抑制干擾。天線系統(tǒng)的主副辦掃描示意圖如下圖3所示。

圖3、天線陣列及主副辦掃描示意圖

2.2收發(fā)鏈路設計

收發(fā)鏈路包括TR組件及變頻通路，可根據(jù)需求靈活裁剪，在微波射頻前端采用了全數(shù)字的移相衰減器，在變頻電路中，采用了超外差二次變頻電路，混頻方式為高射頻低本振，降低頻率合成器的實現(xiàn)難度，此外電路中設計AGC控制電路、保護隔離電路，頻率選擇電路對接收的信號進行選頻、變頻、線性化放大處理，最終提供給基帶處理器進行信號解調。收發(fā)鏈路的原理框圖如下圖4所示。

圖4、收發(fā)鏈路原理框圖

2.3頻率合成器設計

通常來說，可用的頻率合成方式有直接頻率合成（DS）、間接頻率合成（PLL）以及直接數(shù)字式頻率合成（DDS）三種。

本設計中的頻率合成器通過方案最終采用DDS倍頻與PLL點頻源混頻實現(xiàn)最終的跳頻源一本振輸出，而接收和發(fā)射相位校準參考源則直接采用了PLL跳頻輸出的方式實現(xiàn)，總的頻率源合成方案如圖5所示，方案的整體思想是將晶振信號經一分四的功分器分成4路，一路信號作為發(fā)射和接收相位校準參考頻率源的時鐘，經PLL跳頻鎖定產生C波段的信號，然后經濾波和二倍頻輸出Ku波段的參考頻率源；另一路信號作為基帶處理器的參考時鐘；第三路信號作為C波段點頻源的參考時鐘，經PLL鎖定產生C波段的點頻信號，然后與DDS輸出的跳頻信號混頻產生上變頻C波段的射頻信號，再經二倍頻最終產生X波段的一本振信號；最后一路信號作為L波段點頻源的參考時鐘，經PLL鎖定產生L波段的點頻信號，再功分兩路，一路經濾波放大作為系統(tǒng)二本振，另一路作為跳頻DDS的參考時鐘，產生VHF頻段的跳頻信號，經濾波、放大及兩次2倍頻產生L波段的跳頻信號與C波段點頻源進行混頻、濾波、放大、倍頻產生X波段一本振信號。在頻率源實現(xiàn)過程中，由于涉及到了較多的PLL頻率合成、倍頻、混頻、放大等電路，因此變頻過程中的雜散抑制或者規(guī)避就顯得尤為重要，否則雜散信號的干擾將影響系統(tǒng)的通信質量。

圖5、頻率合成器原理框圖

3、散熱設計

經過模型仿真，在大功率連續(xù)波情況下，若散熱性能不佳，不但會降低功放輸出的功率，嚴重時甚至還會使功率器件燒毀，因此功放局部的熱設計同樣是系統(tǒng)設計成敗的關鍵。一般將功放器件有源區(qū)稱為結或者溝道，器件的有源區(qū)溫度稱為結溫或者溝道溫度Tch。為了保證器件不被燒毀，其溝道溫不能超過一個最高允許溫度Tchmax，其大小由晶體管機構、管芯材料、襯底材料等因素決定。功率器件自身的散熱能力用熱阻Rt來表征，定義為Rt=Δt/Q，其中Δt代表溫差，Q為熱流量。Rt的單位為℃/W，熱阻與管芯和襯底材料的導熱率、厚度、截面積、加工工藝以及封裝形式都有關系。通過熱阻可以計算出溝道溫度Tch，其計算公式為:

Tch=RtxPdiss+T0

其中Pdiss為耗散功率，T0為環(huán)境溫度。從公式中可以看出，熱阻越大功放的散熱能力就越差。實際情況中，除了功放器件自身的熱阻外，還有安裝功放的腔體熱阻R1、散熱器熱阻R2以及各個部分之間接觸不緊密或材料導熱系數(shù)差異帶來的接觸熱阻Rc，因此完整的溝道溫度Tch的計算公式為：

Tch= (Rt+R1+R2+Rc)xPdiss+T0

除了功率器件自身的熱阻Rt之外，其它的熱阻都難以得到，因而為了方便計算，將上述公式中不容易得到的參數(shù)項合并到最后一項中，使其表征為一個相對的環(huán)境溫度，得到如下計算公式：

Tch=RtxPdiss+ [(R1+R2+Rc)xPdiss+T0] =RtxPdiss+T’0

其中T’0為功放器件管殼的溫度，若器件和腔體緊密接觸能夠良好地傳熱，即可忽略器件與腔體的接觸電阻，這是T’0表示的是與功放器件相接觸位置腔壁的溫度。將Tch取為Tchmax，通過上述公式可以計算出耗散功率Pdiss的情況下，功放器件可承受的最高腔壁溫度。通過極限溫度以及耗散功率即可對散熱結構進行仿真設計。理論上，只要保證Tch

目前工程上常用的散熱方式有肋片散熱、相變冷卻、熱管傳熱、溫差電制冷等。使用最多的散熱方式是肋片散熱齒，按照散熱齒結構的不同又可分為片式散熱齒和柱式散熱齒。柱式散熱齒風道不封閉，散熱效果不如片式散熱齒明顯，故在本系統(tǒng)方案中采用了片式散熱齒的散熱方式，理論上散熱齒越高散熱效果越好，但是齒本身的寬度和齒間距也會對散熱效果有影響，其散熱效果可通過熱設計軟件來仿真優(yōu)化（Flotherm）。散熱齒采用鋁材，兼顧系統(tǒng)減重的要求，系統(tǒng)設計的散熱底座設計結構如下圖6所示，基本可以滿足系統(tǒng)的散熱需求。

圖6、散熱底座外形結構圖

除上述輔助散熱設計策略外，工程中還在功放底部增加了導熱硅脂、導熱膠等，同時各T/R組件分散布局，降低熱源的集中，增強系統(tǒng)的可靠性。

4、工程設計驗證

依據(jù)系統(tǒng)設計方案，我們測試天線，頻率合成器工程測試結果與設計基本相當，典型的頻率合成器DDS+PLL的相位噪聲及跳頻時間測試曲線如下圖7-8所示：

圖7、DDS相位噪聲及跳頻時間測試曲線

圖8、PLL相位噪聲及跳頻時間測試曲線

測試收發(fā)鏈路指標，當中頻輸入140MHz調制信號，調制方式為64QAM，滾降因子設置0.3，符號率30Mbps時，其典型的發(fā)射EVM為6.09%，鄰道抑制比優(yōu)于-35dBC@50MHz offset，測試結果如圖9所示：

圖9、發(fā)射EVM及鄰道抑制比測試結果

5、應用場景

現(xiàn)階段基于Ku波段的高速寬帶射頻通信系統(tǒng)主要應用于點對點，點對多點，中繼及多級自組網等領域，可以極大的拓展節(jié)點通信的性能和系統(tǒng)容量，其主要的應用場景示意如下圖10所示。

圖10、應用場景示意

6、結束語

本文提出的Ku波段高速寬帶射頻通信系統(tǒng)設計綜合運用了多通道MIMO技術、智能電掃陣列天線、OFDM波束成形、超高速跳頻、低相噪低雜散頻率合成等先進性技術，采用微波平面陣列，可用于干線節(jié)點實現(xiàn)超高速數(shù)傳、組網、中繼，并具有較好的抗干擾能力，可廣泛應用于多種通信領域，已研制樣機性能基本上符合預期的設計需求，實際工程驗證結果良好。