矢量調制器在星載相控陣天線中的應用

薛欣 韓運忠 江濤 陳騰博 范占春

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

矢量調制器在星載相控陣天線中的應用

薛欣 韓運忠 江濤 陳騰博 范占春

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

精確的相位調制技術是星載毫米波有源相控陣天線最關鍵技術之一。傳統的數字移相器構造較為復雜，尺寸較大，相位調制特性有局限性，不是高工作頻段、寬掃描角星載相控陣天線發展的最優選擇。文章提出采用單片矢量調制器來代替數字移相器及數字衰減器，利用電壓來控制矢量調制器的相位調制，提高了相位調制性能，同時具有結構簡單、尺寸較小等優點。在此基礎上設計了星載毫米波段有源相控陣天線，并且實現了精確的二維波束掃描功能，驗證了矢量調制器在星載毫米波有源相控陣天線中應用的技術可行性。

航天器；毫米波；矢量調制器；有源相控陣天線

1 引言

先進的星載有源相控陣天線系統中，精確的相位調制是其最關鍵的技術之一。目前，國內外普遍采用數字移相器和數字衰減器作為有源相控陣天線通道幅相調制的手段，如“銥星”有源相控陣天線。

近年來，星載有源相控陣天線向更高工作頻段、更高性能、更寬掃描角及抗干擾方向發展。特別是星間通信及測距的需要，對天線的二維掃描角度要求更是達到了極限。隨著工作頻率的升高、掃描角度的增大，相控陣天線陣元間距則會變得越來越小，加之抗干擾相控陣天線對幅相調制有著高精度的要求，這些需求使得相控陣天線對收發組件（TR）的相位調制特性要求越來越高，尺寸要求越來越小。而傳統數字移相器及衰減器由于工作原理，其構造復雜，芯片尺寸較大，造成TR組件裝配集成難度增加，不利于實現TR組件小型化。同時，數字移相器受限于本身特性，在移相時，會帶來的附加幅度變化，在進行幅度衰減時，還會帶來附加的相位變化［1-2］，這也使得TR組件的相位調制特性難以獲得更靈活的應用。這些局限性使得數字移相器和衰減器不是高頻率、更寬掃描角相控陣天線發展的最佳方案，進而也不是用于未來星間通信和測距相控陣天線發展的最佳方案。

針對這些問題，文章提出采用矢量調制器代替傳統的數字移相器及衰減器兩塊芯片。矢量調制器芯片引腳少、尺寸小，一般只有傳統數字移相器和衰減器芯片尺寸的1/2，并且有更精確的相位調制特性。矢量調制幅相的方法可以有效地進行有源相控陣天線射頻通道的相位和幅度調制，完成傳統數字移相器及衰減器的功能，并有利于TR組件的小型化及微組裝，有利于星間通信和測距所需求的更高頻段、更寬掃描特性有源相控陣天線的技術實現［3-5］。

有源相控陣天線的性能優劣很大程度上取決于后期口面幅相校準工作。本文提出采用無線校準方法進行天線矢量調制器的相位、幅度校準，不僅可以消除由于通道不一致性及單元互耦造成的口面幅相分布誤差，還可以準確獲得每個TR組件通道需要的相位、幅度調制對應的控制電壓值。

2 矢量調制器設計及測試驗證

本文提出在星載毫米波有源相控陣天線中應用矢量調制器，代替傳統的數字移相器和衰減器來調制TR組件的幅度和相位，除其本身具有更精確的相位調制特性，由于其工作原理的原因，其在進行移相時，帶來的附加衰減小，調制幅度時，帶來的附加移相小；并且還可以使得用一塊芯片代替數字移相器及衰減器兩塊芯片，不僅尺寸減小，其芯片引腳也由數字移相器及數字衰減器20多根引腳減少到4根。矢量調制器的這些優勢，可以有效降低TR組件裝配工藝的難度，有利于TR組件小型化的實現，有利于優化TR組件的幅相調制性能。這些都是高工作頻段、寬掃描角有源相控陣天線所必須的特性。

2.1 矢量調制器原理及設計

在毫米波單片集成電路設計中，由于寄生參數的影響，芯片性能和體積經常是一對難于調和的矛盾。本文提出的反射式矢量調制器是一種基本的結構，最大的優勢是體積小，接口數量少，控制方式簡單。它主要由3部分組成：Lange橋、幅相調制器及Wilkinson功率合路器，原理圖如圖1所示［6-10］。

矢量調制器本身是無源器件，收發互易，其工作原理是輸入一個單位幅度、初始相位為0、頻率為ω的微波信號，經過Lange橋，將信號分配為兩路幅度相等、相位正交的信號，分別進入兩路幅相調制器，通過幅相調制器調節兩路信號的幅度和相位，最后經過Wilkinson功率合路器將兩路矢量信號合成輸出信號為

式中：SI21及SQ21為兩路幅相調制器的傳輸系數；φ為附加移相；t為時間。

幅相調制器為反射式矢量調制器的關鍵部分，經過Lange橋分配的兩路微波信號，分別由兩個獨立的、設計完全相同的幅相調制器進行幅相調制，如圖1所示。

圖1 矢量調制器原理圖Eig.1 Diagram of vector modulator

幅相調制器的工作原理：用兩個高電子遷移晶體管（PHEMT）的漏極分別接入Lange耦合器的耦合端和隔離端，同時利用電壓控制兩個PHEMT管的柵極，從而改變PHEMT管漏極的電阻特性，來調節Lange耦合器的匹配狀態，當Lange耦合器的匹配狀態發生改變時，其直通端的輸出信號的幅相也隨之改變，達到幅相調制的目的。

例如，當兩路幅相調制器的PHEMT管的柵壓達到某一個值會導致PHEMT管的漏極電阻呈現50Ω，則Lange耦合器的直通端變為隔離狀態，矢量調制器的輸入信號被內部完全匹配吸收，呈現無信號輸出的特性；當兩路幅相調制器的PHEMT管的柵壓達到某一個值導致PHEMT管的漏極電阻呈現0Ω或大于1000Ω，則Lange耦合器的直通端變為全傳輸狀態，矢量調制器輸出的信號最大。若兩路幅相調制器PHEMT管的柵壓在中間狀態調節，矢量調制器就會呈現不同的幅相特性。

矢量調制器的插入損耗為

矢量調制器的移相為

可以看出，反射式矢量調制器的傳輸損耗最小為E0，要形成同幅度360°連續移相，其最小損耗為E0-3 dB。所設計的矢量調制器采用商用砷化鎵（Ga As）0.25μm工藝流片，流片完成的芯片尺寸為2.5 mm×1 mm。

結果表明，所設計的反射式矢量調制器其結構上，只有4根引腳，分別為射頻輸入、射頻輸出、I路電壓（VI）引腳、Q路電壓（VQ）引腳。結構形式相比傳統的數字移相器和數字衰減器大大簡化，相比同頻段的數字移相器和衰減器尺寸縮小了1/2以上，便于后期微組裝及TR組件小型化，進而有利于高頻段、寬角掃描相控陣天線的技術實現。

2.2 矢量調制器測試驗證

為了驗證矢量調制器芯片設計的正確性，對矢量調制器芯片性能在探針臺進行在片測試。

測試時，控制矢量調制器的VI和VQ路電壓以5 m V作為步進，VI和VQ兩路電壓在整個矢量調制器的工作電壓范圍內遍歷，用矢量網絡分析儀采集其射頻性能。測試得到的矢量調制器幅相分布極坐標星座圖如圖2所示。可以看到，矢量調制器在小幅度衰減狀態下，測試所得的移相精度優于1°。將得到星座圖的數據進行離散化，可處理為等效6 bit移相器及3 bit衰減器，如圖3所示。其中共離散出了等效3 bit衰減器的8個等幅度圓，不同等幅度圓之間幅度間隔0.75 dB，總范圍從-10～-15.25 dB，每個等幅度圓上離散出了等效6 bit共64個相位點，每個相位點間隔5.625°。可以看出矢量調制器的幅相調制特性也優于數字移相器和衰減器。

圖2 矢量調制器測試星座圖Eig.2 Constellation of vector modulator

圖3 矢量調制器測試提取幅相特性圖Eig.3 AM/PH performance of vector modulator

測試結果表明，所設計的矢量調制器可以完成0°～360°相位調制和-10～-15.25 dB的幅度調制。進行移相時，其準確度優于0.5°，帶來的附加幅度變化小于0.2 d B。進行衰減時，帶來的附加相位變化小于1°。其性能優于傳統的數字移相器和數字衰減器的性能。

3 在星載毫米波有源相控陣天線中的應用及測試驗證

3.1 矢量調制器在有源相控陣天線中的應用

為了驗證所設計的反射式矢量調制器芯片在天線系統中的性能，設計了星載毫米波有源相控陣天線，矢量調制器作為每個通道相位、幅度調制的手段。

有源相控陣天線系統示意圖如圖4所示，有源相控陣天線包含m×n個通道，每個通道由TR組件及輻射單元構成［11-12］。

圖4 有源相控陣系統示意圖Eig.4 Diagram of active phased array antenna

TR組件的原理示意圖如圖5所示。TR組件內部主要由兩級發射放大器、兩級接收放大器、矢量調制器及串行數模轉換芯片構成。TR組件為收發共用、分時工作，接收/發射信號的幅相調制采用同一片矢量調制器。

圖5 TR組件系統示意圖Eig.5 Diagram of TR

本文所設計的有源相控陣天線的工作方式如下：

矢量調制器的移相、衰減依靠串并數模轉換芯片的2路12 bit的數模轉換器（DAC）電壓進行控制，兩路電壓為VI和VQ，電壓數據存儲于相控陣天線控制器內部。每次需要進行相位和幅度調制時，控制器將需要調制的相位、幅度信息所映射的VI和VQ的電壓數據通過串行總線傳輸至每個TR組件的串并數模轉換芯片，而每個TR組件內部的串并數模轉換芯片通過該TR組件的地址位，選擇將對應的VI和VQ的電壓數據存儲至串并數模轉換芯片緩存器內。

所有TR組件內部的串并數模轉換芯片將對應的VI和VQ的電壓數據緩存完成后，控制器通過控制總線下達“波束切換”指令，此時所有串并數模轉換芯片通過事先緩存的VI和VQ的電壓數據生成2路DAC模擬電壓，輸出至矢量調制器。TR組件內每個矢量調制器根據VI和VQ路的電壓值，將射頻信號調制至對應的相位和幅度值，每個天線陣元便會輻射出不同幅度、相位的矢量微波信號，所有天線陣元輻射出的矢量微波信號在空間矢量疊加，便會在遠場區形成特定的波束方向圖，成為不同掃描角度的波束方向圖。

也可以看到，幅相調制器的性能受限于其兩路控制電壓VI和VQ的精度，一般這兩路輸出電壓的精度需要優于3 m V，才能使矢量調制器發揮出優異的性能。所以采用矢量調制器的相控陣天線要實現優異的性能，除了矢量調制器本身外，高精度的串并數模轉換芯片也是其關鍵所在。

所設計的星載毫米波有源相控陣天線完成生產及集成后，其口面幅相分布離散，且每個通道移相和衰減所對應的電壓值未知，需要進行校準測試才能使相控陣天線具有應有的功能和性能。

3.2 有源相控陣天線通道無線校準方法驗證

為了消除由于通道不一致性及單元互耦造成的口面幅相分布誤差，從而得到更優的天線輻射性能，并獲得每路通道相位、幅度調制對應的2路12 bit控制的電壓值，本文提出在無線情況下完成星載毫米波有源相控陣天線矢量調制器的相位、幅度校準方法。

校準在暗室近場條件下進行，分別將TR組件內部2路12 bit的控制電壓遍歷，獲得2路12 bit控制電壓與TR組件相位、幅度的映射關系。典型測試所得的TR組件幅相分布星座圖如圖6所示。測試時，所有TR組件通道校準所采用的相位、幅度的參考原點參照事先規定的同一參考原點。這樣進行測試的同時，也保證了有源相控陣天線口面的相位、幅度一致性。

圖6 TR組件測試星座圖Eig.6 Constellation of TR

測試獲得每個TR組件的幅相分布星座圖與其每個幅相點映射的2路12 bit控制電壓值后，利用后處理程序，將得到的幅相特性進行離散化，典型結果如圖7所示。其中共離散出了等效3 bit衰減器的8個等幅度圓，不同等幅度圓之間幅度間隔0.75 dB，總范圍從-10～-15.25 dB，每個等幅度圓上離散出了等效6 bit共64個相位點，每個相位點間隔5.625°。并將該映射關系存儲于天線控制器內部。該數據將用于后期有源相控陣天線在進行波束掃描時候對矢量調制器的控制。

圖7 TR組件測試提取幅相特性圖Eig.7 AM/PH performance of TR

如上所述，該方法可以有效地完成相控陣天線口面幅度、相位的校準，并同時可以得到每個TR組件通道的矢量調制器的相位、幅度特性與映射的控制電壓關系。

3.3 有源相控陣天線測試驗證

為了驗證及評價采用矢量調制器的星載毫米波有源相控陣天線的輻射性能，同時為了驗證近場無線校準方法所得到數據的正確性，對完成校準的星載毫米波有源相控陣天線進行遠場輻射性能測試。

星載毫米波有源相控陣天線的波束掃描特性測試在遠場箱型暗室進行。測試系統如圖8所示，由自動轉臺、矢量網絡分析儀、標準天線、測試電纜、信號合成源、直流穩壓源及有源相控陣天線控制設備構成，采用此測試系統對有源相控陣天線水平面、垂直面的接收及發射方向圖進行了測試。

圖8 毫米波天線自動測試系統Eig.8 Automatic test equipment for millimeter wave antenna

測試得到的有源相控陣天線在二維空間±θ角度內的接收掃描方向圖如圖9、圖10所示，在二維空間±θ角度內的發射掃描方向圖如圖11、圖12所示。

圖9 有源相控陣天線水平面接收掃描方向圖Eig.9 Received radiation pattern in horizontal plane for active phased array antenna

圖10 有源相控陣天線垂直面接收方向圖Eig.10 Received radiation pattern in vertical plane for active phased array antenna

圖11 有源相控陣天線水平面發射方向圖Eig.11 Transmitting radiation pattern in horizontal plane for active phased array antenna

圖12 有源相控陣天線垂直面發射方向圖Eig.12 Transmitting radiation pattern in vertical plane for active phased array antenna

由測試結果可以看出，所設計的星載毫米波有源相控陣天線可以在二維空間±θ角度內進行接收/發射波束掃描，波束掃描中，峰值增益下降小于3 dB。發射掃描旁瓣抑制優于15 dB，接收掃描旁瓣抑制優于20 d B。該天線性能可以滿足星間通信、測距對有源相控陣天線的高頻段、大掃描角的性能需求，也驗證了矢量調制器在星載毫米波段有源相控陣天線應用中的技術優勢。

4 結束語

本文提出采用矢量調制器來代替傳統的數字移相器及衰減器，彌補了傳統數字式移相器和衰減器的部分電性能局限性、尺寸大及難組裝等缺點。所設計的單片反射式矢量調制器，除了可以有效地實現幅相調制外，并具有結構簡單、尺寸小等優點，有利于TR組件的組裝及小型化，有助于更寬掃描角、更高頻段相控陣天線的技術實現。

但是，矢量調制器也有一些不足，其本身幅相調制的性能受限于其兩路控制電壓的精度，所以采用矢量調制器的相控陣天線要實現優異的性能，除了矢量調制器本身外，高精度的串并數模轉換芯片也是其關鍵所在。

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（編輯：張小琳）

Vector Modulator and Its Appliaction in Satellite Phased Array Antenna

XUE Xin HAN Yunzhong JIANG Tao CHEN Tengbo EAN Zhanchun
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Accurate phase modulating is a key technology of satellite millimeter-wave active phased array antenna.By reason of complicated structure，large size and low precision of phase modulating，conventional digital phase shifter and attenuator is not an optimized option of satellite millimeter-wave active phased array antenna.In this paper，conventional digital phase shifter and attenuator is replaced by vector modulator，which directs carrier modulation on phase by voltage control.The results shows that vector modulator has small size and simple structure，and its precision of phase modulating is better than that of conventional digital phase shifter and attenuator.Based on this technique，millimeter-wave active phased array antenna for spacecraft has been designed，and the antenna is proved to steer the beam scanning accurately.The results verify the feasibility of millimeter-wave vector modulator used in satellite millimeter-wave active phased array antenna.

spacecraft；millimeter-wave；vector modulator；active phased arrayantenna

TN82

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.010

2015-01-07；

2015-05-07

國家重大科技專項工程

薛欣，男，工程師，從事星載有源相控陣天線設計工作。Email：xuxwindy@163.com。