Ku波段高速宽带射频通信系统设计与实现

摘要：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T_ch。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T_chmax，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R_t来表征，定义为R_t=Δt/Q，其中Δt代表温差，Q为热流量。R_t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T_ch，其计算公式为:

T_ch = R_t x P_diss+ T₀

其中P_diss 为耗散功率，T₀ 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R₁ 、散热器热阻R₂ 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_c ，因此完整的沟道温度T_ch 的计算公式为：

T_ch= ( R_t + R₁ + R₂ + R_c )x P_diss+ T₀

除了功率器件自身的热阻R_t 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：

T_ch= R_t x P_diss + [( R₁ + R₂ + R_c )x P_diss+ T₀] = R_t x P_diss +T^’₀

其中T^’₀ 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^’₀ 表示的是与功放器件相接触位置腔壁的温度。将T_ch 取为T_chmax ，通过上述公式可以计算出耗散功率P_diss 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T_ch<T_chmax 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T_ch<T_chmax×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

本文MWRF.NET独家版权所有，未经允许不得转载！