Ku波段高速寬帶射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)今的信息大爆炸時代，媒質(zhì)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?shí)時性要求越來越高，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(shù)蓬勃發(fā)展，LTE、5G技術(shù)接踵而至。由香農(nóng)定理我們可知，無線通信的速率與信道帶寬相互關(guān)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(shè)計(jì)

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(shù)，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(jīng)幅度及相位加權(quán)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(jié)構(gòu)中，中央單元通過連接器與各TR組件相連，以信令交互進(jìn)行控制，各TR組件具有獨(dú)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(shí)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(shù)應(yīng)用抗干擾、保密、高速、大容量、自適應(yīng)的整體需求，綜合考量Ku波段信號自身波長短，方向性較強(qiáng)、傳輸損耗大等不利因素，采用了主流的OFDM調(diào)制技術(shù)，使得系統(tǒng)的抗干擾能力更強(qiáng)，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(shù)，合理利用波束分集和天線空間復(fù)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(yīng)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(shè)計(jì)

2.1天線設(shè)計(jì)

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(shù)，實(shí)現(xiàn)高定向性、寬覆蓋和抗衰落。該種類型天線設(shè)計(jì)通過對天線陣元的激勵源進(jìn)行幅/相加權(quán)，實(shí)現(xiàn)多扇面掃描。此外還可以實(shí)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(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)難度，此外電路中設(shè)計(jì)AGC控制電路、保護(hù)隔離電路，頻率選擇電路對接收的信號進(jìn)行選頻、變頻、線性化放大處理，最終提供給基帶處理器進(jìn)行信號解調(diào)。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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)中的頻率合成器通過方案最終采用DDS倍頻與PLL點(diǎn)頻源混頻實(shí)現(xiàn)最終的跳頻源一本振輸出，而接收和發(fā)射相位校準(zhǔn)參考源則直接采用了PLL跳頻輸出的方式實(shí)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(jīng)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(zhǔn)參考頻率源的時鐘，經(jīng)PLL跳頻鎖定產(chǎn)生C波段的信號，然后經(jīng)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(diǎn)頻源的參考時鐘，經(jīng)PLL鎖定產(chǎn)生C波段的點(diǎn)頻信號，然后與DDS輸出的跳頻信號混頻產(chǎn)生上變頻C波段的射頻信號，再經(jīng)二倍頻最終產(chǎn)生X波段的一本振信號；最后一路信號作為L波段點(diǎn)頻源的參考時鐘，經(jīng)PLL鎖定產(chǎn)生L波段的點(diǎn)頻信號，再功分兩路，一路經(jīng)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(chǎn)生VHF頻段的跳頻信號，經(jīng)濾波、放大及兩次2倍頻產(chǎn)生L波段的跳頻信號與C波段點(diǎn)頻源進(jìn)行混頻、濾波、放大、倍頻產(chǎn)生X波段一本振信號。在頻率源實(shí)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(zhì)量。

圖5、頻率合成器原理框圖

3、散熱設(shè)計(jì)

經(jīng)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(yán)重時甚至還會使功率器件燒毀，因此功放局部的熱設(shè)計(jì)同樣是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。一般將功放器件有源區(qū)稱為結(jié)或者溝道，器件的有源區(qū)溫度稱為結(jié)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(jī)構(gòu)、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(dǎo)熱率、厚度、截面積、加工工藝以及封裝形式都有關(guān)系。通過熱阻可以計(jì)算出溝道溫度Tch，其計(jì)算公式為:

Tch = Rt x Pdiss+ 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(shí)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(dǎo)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(jì)算公式為：

Tch= ( Rt + R1 + R2 + Rc )x Pdiss+ 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(jì)算，將上述公式中不容易得到的參數(shù)項(xiàng)合并到最后一項(xiàng)中，使其表征為一個相對的環(huán)境溫度，得到如下計(jì)算公式：

Tch= Rt x Pdiss + [( R1 + R2 + Rc )x Pdiss+ T0] = Rt x Pdiss +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(jì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。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(jié)構(gòu)的不同又可分為片式散熱齒和柱式散熱齒。柱式散熱齒風(fēng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的散熱底座設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖

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

4、工程設(shè)計(jì)驗(yàn)證

依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，我們測試天線，頻率合成器工程測試結(jié)果與設(shè)計(jì)基本相當(dāng)，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(biāo)，當(dāng)中頻輸入140MHz調(diào)制信號，調(diào)制方式為64QAM，滾降因子設(shè)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(jié)果如圖9所示：

圖9、發(fā)射EVM及鄰道抑制比測試結(jié)果

5、應(yīng)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(yīng)用于點(diǎn)對點(diǎn)，點(diǎn)對多點(diǎn)，中繼及多級自組網(wǎng)等領(lǐng)域，可以極大的拓展節(jié)點(diǎn)通信的性能和系統(tǒng)容量，其主要的應(yīng)用場景示意如下圖10所示。

圖10、應(yīng)用場景示意

6、結(jié)束語

本文提出的Ku波段高速寬帶射頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了多通道MIMO技術(shù)、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(jìn)性技術(shù)，采用微波平面陣列，可用于干線節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)超高速數(shù)傳、組網(wǎng)、中繼，并具有較好的抗干擾能力，可廣泛應(yīng)用于多種通信領(lǐng)域，已研制樣機(jī)性能基本上符合預(yù)期的設(shè)計(jì)需求，實(shí)際工程驗(yàn)證結(jié)果良好。