一種基于運載火箭遙外測系統的天線切換器的設計*

李思衡，趙廣東，趙雯嫻，臧照祥

（上海航天電子技術研究所，上海 201100）

0 引 言

隨著我國運載火箭高密度發射期的到來，搭載小衛星的任務也逐漸增多。在搭載星分離時，由于火箭調姿，遙外測天線處于地面測控站背面，測控站無法接收遙外測無線信號；火箭在排放段的調姿也會使遙外測天線處于地面測控站背面，造成無法有效接收到遙外測信號。因此，遙外測系統考慮采用以微波開關為核心部件進行主、副天線的切換，即一副主天線完成主星測控任務，主星分離后，延時模塊開始計時，計時結束后通過微波開關將發射機功率切換至副天線，完成搭載星的測控任務。

1 方案設計

1.1 硬件設計實現

根據測控任務需求，天線切換器對外接口分為低頻接口及高頻接口兩類。低頻接口包含供電、延時觸發信號及延時時間裝訂通道；高頻接口包括箭上發射信號輸入及主副天線輸出接口[1]。結構采用上下兩層的方式分為控制輸出模塊及延時電路模塊。原理框圖如圖1所示。控制模塊完成各電路所需電壓的轉換，及實現微波開關的控制切換；延時模塊包括時鐘晶振、延時觸發信號（搭載星分離時間）電壓比較電路及實現延時輸出的CPLD電路。

圖1 實現方案

1.2 穩壓電路

運載火箭系統提供給的產品的供電電壓為+15 V直流電壓，需要經過直流穩壓變換為+12 V、+5 V的內部工作電壓。

穩壓模塊選用CW78M00系列穩壓模塊分別輸出+5 V和+12 V直流電壓，該產品輸出電流為0.5 A，最小輸入輸出壓差為2 V，輸出電壓固定，芯片內部設有過流、過熱、短路保護電路，調整管安全工作區保護，即使失效也對前級供電二次電源無影響。作為電壓穩壓器、恒流源，用于各種電子設備中。其最大輸入電壓為35 V，負載電流為500 mA。

1.3 驅動電路

如圖2所示，微波開關有+1和+2兩個控制信號輸入端口。當設備加電時，此時遙測信號至主天線輻射；當延時模塊計時結束時，CPLD延時模塊輸出脈沖電壓給驅動電路2，驅動電路2輸出+12 V的脈沖控制信號給微波開關+2控制端口，遙測信號至副天線輻射。驅動電路是將CPLD延時模塊輸出的計時結束脈沖信號轉換為+12 V的脈沖控制信號，以能夠滿足微波開關控制端口的+12 V脈沖電壓的切換需要。微波開關切換控制端前設計的控制驅動電路1和驅動電路2形式一樣，電路示意圖如圖2所示[2]。

圖2 驅動電路示意圖

1.4 微波開關

微波開關采用RADIALL公司的單刀雙擲開關。其具有較寬的工作頻段0～3 GHz，0.2 dB的超低插入損耗，80 dB的高隔離度，最大承受功率為120 W，且具有體積小，控制邏輯簡單明確等特點，符合運載火箭的廣泛使用特點。

如圖3、圖4所示，控制端+1、+2接收+12 V的脈沖控制信號。C端為微波開關的輸入信號即遙外測系統信號，1端和2端為微波開關的二選一輸出端口，分別接至主副天線。在產品開始加電工作時，CPLD延時模塊輸出脈沖給驅動電路1，微波開關+1控制端接收到+12 V的脈沖控制信號，遙測信號維持在主天線發射方向；當延時模塊計時結束后，CPLD延時模塊切換到副天線的輸出方向。-C端為公共地端。

圖3 微波開關端子說明

圖4 微波開關工作示意圖

1.5 延時電路

天線切換器的延時電路分為觸發信號比較電路和CPLD電路兩大部分。

1.5.1 遙測觸發信號電壓比較電路

主星星箭分離前遙測觸發信號為+4 V，星箭分離后觸發信號轉為1.6 V，且由于機械動作存在時間差，該信號由4V跳變為1.6V之間會出現短暫2.0 V或2.7 V的中間狀態，中間狀態持續時間小于100 ms。為了將電壓變化的狀態明確提供給CPLD延時模塊以及消除中間狀態帶來的不確定，觸發信號設計了經過電壓比較電路后再提供給CPLD判斷。設置電壓比較器的參考電壓VRef=+2.5 V，如果遙測觸發電壓大于2.5 V則輸出高電平，如果小于2.5 V則輸出低電平，因此無論遙測觸發信號如何變化，對于CPLD的觸發端只存在兩種狀態，不會產生誤觸發[2]。如圖5所示。電壓比較器采用Semiconductor公司的LM139。

圖5 電壓比較電路工作示意圖

1.5.2 CPLD電路

延時電路的實現采用復雜可編程邏輯器件CPLD器件，通過軟件寫入實現微波開關的時間控制功能，延時時間可通過外部接口不需開蓋就可裝訂（0～1 400 s）。火箭每次執行任務所釋放的衛星的軌道不相同，主副天線的切換時間就需要調整，天線切換器本著方便性、高可靠性的設計要求，不需要開蓋就可以在線裝訂延時時間，大大提高了可操作性。CPLD載體確定為深圳國威電子的JSM1032。硬件運行圖見圖1所示。CPLD器件采用+5 V供電，6.144 MHz的工作時鐘。其工作電壓為+5 V，最高工作頻率達到60 MHz，器件的最大工作電流為300 mA（實際工作電流約為100 mA）。時鐘產生電路選用707所的6.144 MHz的晶振，其工作電壓為+5 V，初始頻率精確度±50 ppm。

1.6 軟件設計實現

CPLD實現的延時軟件為嵌入式軟件，采用硬件描述語言Verilog HDL編寫，并據此產生硬件配置文件，用于CPLD器件的軟件固化，完成軟件規定的任務。延時軟件的硬件運行原理框圖見圖1[3]。

1.6.1 軟件功能

（1）時鐘分頻功能

將6.144 MHz的主時鐘信號分頻到100 Hz，用于開關觸點信號的判寬以及延時輸出信號的計時。

對輸入的遙測觸發信號的寬度進行判別，對寬度判別合格的信號進行響應。

（3）延時功能

星箭分離前，開關觸點信號為+4 V直流信號；星箭分離信號給出后，開關觸點信號為+1.6 V的低電平，延時模塊計時開始。當計時結束后，延時模塊輸出延時輸出電壓作為微波開關的切換信號。

1.6.2 軟件數據流和控制流描述

延時軟件主要分為頂層模塊、分頻模塊、判寬模塊和延時模塊。他們之間的數據流和控制流見圖6。

圖6 軟件數據流和控制流

延時電路軟件以10 ms為計數周期，對輸入信號進行響應處理，主要功能包括：對于延時啟動信號進行寬度判別、對寬度合格的延時信號進行延時響應、延時時間到后，輸出相應的延時輸出信號和延時輸出指示信號。延時軟件各模塊功能組成如圖7所示。

圖7 軟件模塊框圖

（1）參數設定模塊

⑤AKI及肝腎綜合征 防止AKI的發生：糾正低血容量，積極控制感染，避免腎毒性藥物，需用靜脈造影劑的檢查者需權衡利弊后選擇。AKI早期治療：（a）減少或停用利尿治療，停用可能腎損傷藥物，血管擴張劑或非甾體消炎藥。（b）擴充血容量可使用晶體或白蛋白或血漿；（c）懷疑細菌感染時應早期控制感染。后期治療：停用利尿劑或按照1 g·kg-1·d-1劑量連續2 d靜脈使用白蛋白擴充血容量，無效者需考慮是否有肝腎綜合征，可使用血管收縮劑（特利加壓素或去甲腎上腺素），不符合者按照其他AKI類型處理（如腎性AKI或腎后性 AKI）。

由于延時時間可裝訂，為了方便進行對延時時間的改動，將延時時間參數單獨放在一個模塊中。本模塊就是實現此目的，參數設定見表1。

表1 參數設定模塊的設計

（2）時鐘分頻模塊

系統時鐘是6.144 MHz，即是微秒級的，而各個輸入信號的寬度判別是毫秒級的，直接用系統時鐘進行判別CPLD的資源消耗是很大的，所以將6.144 MHz的時鐘分頻到適合寬度判別頻率的時鐘十分必要，時鐘分頻模塊設計見表2。

本程序模塊即實現分頻功能，將6.144 MHz時鐘分頻成100 Hz，即產生10 ms時鐘信號。

表2 時鐘分頻模塊的設計

（3）判寬模塊

檢測遙測觸發信號電壓比較電路輸出的高電平狀態的寬度，只有脈寬≥100 ms的信號才能識別為有效，判寬模塊設計見表3。

本模塊即實現脈沖寬度判別功能。

表3 判寬模塊的設計

（4）延時模塊

產品加電后，輸出初始信號CS_out和初始指示信號CSZS_out。收到有效地延時啟動信號后，延時到后輸出延時信號YS_out和延時指示信號YSZS_out，同時去掉初始信號CS_out和初始指示信號CSZS_out的輸出，延時誤差在±0.2 s內，延時時間在0～1 400 s內可裝訂，延時模塊設計見表4。

表4 延時模塊的設計

2 系統驗證

該天線切換器與運載火箭遙測系統進行了對接試驗，方式見圖8。除分系統試驗中配套地面設備外，此次對接試驗地面設備還包括RTR接收機，S波段遙測車，雙路穩壓電源，萬用表等設備。

對接試驗中的配套單機除天線切換器外還包括遙測天線兩只，以及高頻電纜及測試電纜若干。

對接實驗中由雙路穩壓電源作為天線切換器+15 V供電電源，選用星箭分離爆炸螺栓起爆時間機械信號作為遙測觸發信號，試驗前保持同時連接的狀態，此時為輸出電壓為4 V，同時斷開后為1.6 V，滿足輸入觸發信號的要求；試驗中盡量模擬了真實的天線安裝角度，兩副天線角度保持90度以上夾角。

圖8 對接試驗框圖

試驗狀態準備完畢后，遙測系統先加電，試驗過程中對遙測觸發信號t318，RTR接收機和遙測車接收信號信噪比及切換器標志信號這幾個重要參數進行監測。切換器標志信號為天線切換器輸出表征切換器工作狀態的電壓信號，切換前輸出1.05 V，切換時輸出2.04 V，切換后2.51 V。對接試驗過程如下：

（1）遙測系統加電，此時系統電流為4.76 A，有線終端顯示t318為4.012 V，RTR接收機顯示信噪比-30 dBm，切換器標志信號為1.05 V，遙測車信噪比15.6 dB；

（2）切換器加電，系統電流4.69 A，加電前后電流屬正常范圍內波動，RTR信噪比-29 dBm，變化不明顯，遙測車信噪比13.5 dB；

（3）系統觸發信號插頭斷開，切換器延時啟動，此時t318為1.624 V，計時約20 s后完成切換動作，系統電流4.65 A，加電前后電流屬正常范圍內波動，切換中切換器標志信號為2.04 V；切換后切換器標志信號為2.51 V，遙測車信噪比15.6 dB，切換完成后遙測車接收信號信噪比變化較大。

（4）切換器斷電，遙測斷電，期間遙測車信噪比保持穩定。

試驗期間RTR接收及遙測車信號接收均正常，由于天線方位及遙測車位置的原因，兩只天線的信號輸出對遙測車接收信號的信噪比影響較大，切換動作反映更明顯，對RTR接收影響較小；試驗全程中切換器工作電流保持在140 mA左右，無明顯跳變。

另將高頻電纜輸出端分別接30 dB衰減器后接頻譜儀，試驗中高頻信號直接輸入至頻譜儀，試驗以較直觀的方式反映高頻信號的切換過程。試驗步驟同第一次對接試驗，試驗過程中觀察輸出頻譜的變化情況。試驗過程中，頻譜儀輸出圖清晰反映了在遙測觸發信號變為1.624 V后設定之間內，高頻發射信號通道完成了切換。

3 結 語

遙外測系統天線切換器根據不同任務的彈道特點，裝訂相應的控制切換時間，計時結束后切換至相應的發射天線，有效地解決了多星發射時火箭調姿導致遙外測發射信號接收不佳的問題。且該切換器工作頻段較寬，可以根據需求應用在不同的無線通信系統中。