平面一體化集成Ka頻段衛星通信終端ODU設計

楊 萍

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

近年來,隨著衛星通信技術的發展,小型衛星地面站(VSAT)天線口徑小、結構緊湊、固體化、安裝方便、對使用環境要求不高和組網靈活等特點,給人們的工作和生活帶來了極大的便利,越來越受到人們的青睞,同時對VSAT的輕小型化也提出了較高的要求。

室外單元(Outdoor Unit,ODU)作為VSAT的重要組成部分,其輕小型化和低功耗設計尤為重要。室外單元主要包括固態功放(SSPA)、低噪聲放大—變頻組件(LNC)、上變頻組件等,其主要作用是完成信號的變頻、濾波以及放大。

現在,VSAT的主要工作頻率是C頻段和Ku頻段,但是該頻段的工作帶寬和速率的需求已經遠不能滿足人們的使用需求,所以Ka頻段通信在VSAT通信中具有更大的吸引力。同微波頻段相比,它更有利于實現產品的小型化。

毫米波通信系統已經成為許多發達國家寬帶無線通信產品的關鍵技術,在國外毫米波系統中,Ka頻段在VAST上已經得到了廣泛的應用[1]。

國內毫米波通信系統,特別是Ka頻段的應用,起步較晚,與國外同類產品相比還有差距,但是相關的工作已經逐步展開。

本文介紹了平面一體化集成Ka頻段衛星通信終端室外單元(ODU),該設備特別適合于對輕小型化和低功耗有要求的衛星通信系統使用。本設備的平面一體化集成設計難點在于平面電路一體化設計、熱設計、電磁兼容設計、水密設計和結構設計等。

2 ODU電路設計

2.1 電路工作原理

ODU主要由RF電路、本振電路、監控和DC/DC電路等組成,組成框圖如圖1所示。其工作原理是:中頻信號經分路器和上變頻電路變頻至Ka頻段,再經功放產生發射功率輸出至天線;來自接收天線的信號,經發阻濾波器、低噪聲放大、鏡頻濾波和混頻后,變為中頻信號,然后經分路器輸出。

圖1 ODU組成框圖Fig.1 Block diagram of ODU

RF電路包括上變頻電路和下變頻電路兩部分:上變頻電路主要包括混頻器、驅動放大器、射頻濾波器、末級功率放大器、波導微帶過渡等;下變頻電路主要包括低噪聲放大器、混頻器、射頻濾波器和中頻放大器等。

末級功放采用單片集成固態功放,通過合理地散熱,保證功放長期可靠工作。

為達到良好的噪聲系數,對波導微帶探針過渡進行優化設計[2],其插入損耗可低于0.2 dB。第一級放大器的噪聲系數基本上就決定了整機的噪聲系數,因此第一級低噪放器件的選擇尤為重要。由于現有的MMIC芯片滿足不了噪聲系數的要求,所以我們選用合適的管芯,并對它做了最佳噪聲匹配的設計。所選用的器件指標是:第一級放大器噪聲系數1.6 dB,增益15 dB;第二級放大器噪聲系數2 dB,增益20dB;第三級放大器噪聲系數2 dB,增益15 dB。第一級放大器經最佳噪聲系數匹配后,在所要求的頻段內噪聲系數仿真結果均小于1.5 dB。

變頻混頻器采用諧波混頻器,它可以實現混頻分量中偶次組合波(包括本振和中頻偶次諧波)的良好抑制,一般可達60dB以上,同時降低了本振頻率。

收發分路器將主機通過兩根電纜饋入的收發復用信號用濾波器進行分離。其中,收發直流電源信號分離后分別送到收發DC/DC變換電路,為設備中的有源器件提供穩定直流電壓。

ODU對外接口簡單,共有4個接口:一個BJ320波導(發射)、一個BJ220波導(接收)、兩個N型頭接口。其中,一個N型接口用于接收中頻信號、參考信號和直流電源的復用,另外一個N型接口用于發射中頻信號、參考信號和直流電源的復用。

2.2 關鍵技術

2.2.1 ODU平面一體化集成技術

(1)RF電路一體化集成設計

為了實現RF電路平面一體化集成設計,減少設備的體積重量,RF中所有的元件均采用表貼元件,所有電路均采用平面集成電路。

發阻濾波器、收發射頻濾波器均采用陶瓷基片薄膜或軟基片微帶濾波器,該濾波器具有體積小、低損耗、頻率選擇性好等特點。雖然較波導濾波器損耗略大,但是易于實現電路平面集成,有利于電路的小型化。

選擇合適的波導微帶探針過渡形式,既保證了良好的噪聲系數和電路布局的緊湊型,又易于設備的整體水密設計和熱設計。

(2)本振電路一體化集成設計

為了實現本振電路的集成化設計,減少設備的體積、重量和功耗,采取了以下措施:用諧波混頻取代基波混頻,大大降低毫米波本振電路設計的難度和成本,降低電路對本振抑制度的要求,減小設備體積功耗,提高了設備的可靠性;選擇合理的倍頻鎖相方案,采用CRO加倍頻的方式取代體積和功耗都較大的DRO;用微帶濾波器取代本振電路中常用的腔體濾波器。

(3)監控及DC/DC電路一體化集成設計

在射頻有源器件的選擇上,盡量采用供電電源電壓相近的器件,減少DC/DC的種類;用效率較高、體積較小的表貼的器件取代標準電源模塊,并且通過加強電源濾波,實現設備的DC/DC變換,從而減小設備的體積和重量,增加設備的可靠性。

2.2.2 功放線性化技術

毫米波固態功率芯片的三階互調指標,不能滿足本設備所要求的技術指標要求。若采用輸出功率更大的芯片或將多個芯片進行功率合成提高輸出功率,再進一步回退功率,可滿足三階互調指標要求,但勢必會成倍增加體積重量功耗,這顯然不符合設備低功耗、輕小型化的設計原則;而采用功放線性化技術,只需略微增加一點功耗,則可較大改善功放線性度,尤其是三階互調的指標。

線性化技術的方案有很多,如:功率回退法、預失真[3]、負反饋、前饋[4]等。在本設備研制過程中,從技術指標和設備平面一體集成化設計考慮,選用了預失真的方法。它具有電路尺寸小、穩定度高的特點,雖然其校準精度不如前饋法和負反饋法,但卻更穩定并且有著更寬的帶寬。

對功放芯片采用了預失真之后,發射鏈路的三階互調指標顯著改善。未采用線性化技術時,功放三階互調最差為-15 dBc;采用線性化技術后,功放三階互調最差為-22 dBc,三階互調改善了至少7 dB以上,滿足了系統指標要求。

2.3 電磁兼容設計

設備中頻率種類較多,所以設備內各功能電路之間的屏蔽就尤為重要。如果屏蔽不好就會導致信號泄露,使得帶內出現雜散和引起電路自激。為此,我們采取以下措施:

(1)各功能電路加強屏蔽,防止信號串擾;

(2)仿真優化波導屏蔽腔尺寸,對射頻信號呈現波導傳輸截止狀態;

(3)保證腔體上下腔緊密接觸,防止信號泄露;

(4)各功能電路對輸入直流和低頻控制信號進行充分濾波和隔離設計,避免信號串擾;

(5)合理布局,避免電路環形布局,以免信號泄露造成電路自激。

3 ODU結構設計

ODU結構采用上下腔設計技術,上腔主要用于滿足電路的電磁兼容設計,下腔主要用于布局電路。

上腔采用整腔結構設計取代傳統的分腔結構設計,即所有不同的功能電路都位于同一個腔體內,避免了高低頻插座和電纜的使用,減小了設備的線損,利于設備的平面集成一體化設計,同時降低了設備的體積、重量和功耗,增加了設備的可靠性。

下腔在電路布局上采用雙面布局設計。RF電路、本振電路和分路器位于腔體正面,監控及DC/DC電路位于腔體的背面,正反兩面電路通過絕緣子連接。所有腔體正面的基片安裝均采用直接焊接在腔體上的方式,避免了螺釘的使用;毫米波芯片和表面貼裝器件用導電膠分別直接粘接在腔體和微帶線上。這樣使得電路布局更加緊湊,減少了螺釘的個數,降低了設備的體積、重量和功耗,實現了設備的輕小型化和低功耗。

依據下腔電路布局,把上腔分成多個屏蔽小腔。通過上下腔的緊密接觸,防止雜波信號的泄露,滿足設備的電磁兼容要求。

通過以上結構措施,實現了結構的平面一體化集成。

設備要滿足浸漬實驗要求,因此必須采用水密。由于整個設備具有對外接口簡單和平面集成一體化的特點,非常有利于水密設計。通過下腔采用深腔設計、上下腔之間采用防水密封圈、防水接插件和在各波導接口加防水密封圈的措施可以達到水密的要求。

4 ODU熱管理設計

設備的水密結構使得設備的散熱能力下降,必須通過合理的散熱措施保證設備連續工作的穩定可靠性。

功率器件是多數電子設備中的關鍵器件,其工作狀態的好壞直接影響整機可靠性。功率芯片的性能受溫度影響很大,溫度過高將導致性能嚴重下降,主要表現為增益、輸出功率下降,同時還會縮短使用壽命,當芯片結溫超過其典型值時,每升高8℃,芯片平均失效時間將降低一倍,若結溫超過芯片所能承受最大范圍,芯片將短時間內燒毀。

由于毫米波芯片的體積都十分小,散熱面積有限,熱量分布集中,同時受到制作工藝、技術手段等限制,目前毫米波單片放大器效率不高,特別是Ka頻段功放芯片,一般在15%以下,功耗較大。因此功放芯片必須有良好高效的散熱設計。

為了改善功放芯片的散熱,一般將器件與設備外殼之間用實體金屬作為傳熱體,并盡量減薄,縮短傳熱路徑。在本設備中,為了更好地散熱,直接把與功放器件對應的設備外殼部分加工成散熱齒,并噴聚氨酯丙烯酸無光黑漆,以提高輻射能力。

在環境溫度為55℃時,通過數值仿真得到末級功放芯片的安裝面的溫度為65.0℃。基座溫度仿真曲線見圖2。

圖2 基座溫度仿真曲線圖Fig.2 Computed temperature of the baseplate

假定熱量幾乎全部從安裝面傳走的情況下:末級功放的溝道溫度為(對應的功放芯片溝道至基座熱阻為2.5 K/W,發熱量為16 W):65.0+2.5×16+1.5×16=129℃,低于芯片所允許的150℃的允許最高工作結溫,可保證功放及驅動放大器在高溫環境下安全連續工作。

最后,設備通過了高溫環境實驗,證明熱設計是有效的。另外,為了防止超溫引起功放芯片的損壞,在監控板中增加了功放超溫切斷電源的功能。采用這些措施后,可以實現收發信機的良好散熱,保證設備在給定的溫度范圍內連續穩定工作。

5 實物研制與測試結果

根據以上設計方案,研制出了兩套設備,圖3為實物圖。其測試結果如下:

上行頻率:Ka頻段,帶寬1.6 GHz;

下行頻率:K頻段,帶寬1.6GHz;

中頻頻率:S頻段;

工作方式:連續波;

發射機輸出功率P-1 dB:>33 dBm;

發射機三階互調:<-22 dBc;

接收機噪聲系數:<2.4 dB(常溫);

體積:130mm×90mm×30mm;

重量:750g;

功耗:34 W。

圖3 ODU實物圖Fig.3 Picture of ODU

該設備各項指標均處于當前國內領先水平,但與國外同類產品相比,本設備小型化指標與國外產品相當,但是發射功率、噪聲系數和三階互調指標比國外產品要差一些,主要是因為國外產品帶寬較窄,帶寬只有500MHz,而本設備帶寬是1.6 GHz。如果是相同帶寬的話,除了噪聲系數和功耗之外,本設備的其余指標均與國外產品指標相當。

6 結 論

本文介紹了集成一體化小型Ka頻段衛星通信終端ODU的設計,并給出了實物測試結果。該設備具有指標先進、體積小、重量輕和功耗小等特點,在通信等領域具有良好的應用前景。該設備各項指標處于國內領先水平,但與國外同類產品相比,個別指標還有些差距。下一步要改進的有:進一步優化設備指標,并進一步提高電路的集成化水平。

[1]Li De-zhong,Wang Cong,Huang Wen-cheng,et al.A high-power Ka-band power amplifier design based on GaAs P-HEMT technology for VSAT ODU applications[CJ]//Proceedings of the 3rd IEEE Internatioal Symposium on Microwave,Antenna,Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications.[S.l.]:IEEE,2009:20-23.

[2]黃建.波導-微帶探針過渡CAD技術[C]//2003年全國微波毫米波會議論文集.北京:電子工業出版社,2003:138-141.HUANG Jian.CAD of wave guide-microstrip probe transitions[C]//Proceedings of Microwave and Millimeter Wave Symposium.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2003:138-141.(in Chineses)

[3]Jeng-Han T sai,TianWei Huang.A Novel SiGe BiCMOS Variable Gain Active Predistorter Using current steering Topologies[C]//Proceedings of IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium.Forth Worth,TX:IEEE,2004:559-562.

[4]Hickson MT,Paul DK,Gardner P,et al.High Efficiency Feed forward Linearizers[C]//Proceedings of the 24th European Microwave Conference.Cannes,France:IEEE,1994:819-824.