高可靠低功耗Ka頻段星載有源相控陣冗余備份技術*

姚亞利

(中國西南電子技術研究所，成都 610036)

0 引 言

從1964年在美國成立國際通信衛星組織INTELSAT并于次年發射第一顆商用通信衛星“Early Bird”以來，衛星通信技術及其應用蓬勃發展，目前已經在軍事、民用、商用等領域得到了廣泛應用。

就通信衛星而言，星載天線是衛星有效載荷的重要組成部分，對整個衛星通信系統的性能有著重要影響[1]。衛星天線用于對特定的目標或地域發射或接收載有各種信息的信號，當需要衛星交換信息的目標是可變的時候往往要求天線的波束也做相應的變化[2]。相控陣天線因其具有輻射能力強、電掃描、波束捷變、多波束等特點[3-5]，能夠充分提升衛星對地視場廣域范圍內大規模分散用戶、快速機動用戶的按需通信保障能力，提升衛星多用戶保障能力以及通信容量，近年來已經被應用于高、低軌衛星通信系統，包括移動/窄帶、寬帶、防護、中繼等衛星通信領域[4,6]。

在一般的裝備的設計中，可靠性已成為與性能同等重要的設計要求，是裝備設計工程的重要組成部分[7]。而星載產品工作于惡劣的太空環境中，長期遭受宇宙射線、高能粒子、大范圍溫度變化等影響，為了能夠在空間環境中長期可靠地工作，星載產品除了關注性能指標外，可靠性也尤為重要。產品的可靠性是產品固有的特性，是產品設計所賦予的，所以將可靠性設計真正融合、溶化于產品的設計和研制生產過程是保證衛星高可靠性、長壽命的前提[7]。

備份冗余設計是提高星載產品可靠性最常用的方法之一，這種設計的基本思想是正常使用主路模塊時備份模塊關閉，當主路模塊發生意外功能失效時則啟用備份電路模塊。對系統或單機中的“單點”電路進行備份冗余設計是十分有效的，可以有效提高產品可靠性。

星載有源相控陣為特殊的陣列天線，其中，天線陣面和TR組件都是由多個獨立通道組成的，本身自帶冗余設計屬性，容許有一定的通道失效率，即少部分通道失效后，系統功能和任務仍然可以完成；而星載相控陣中的上/下變頻通道為“單點”電路，一般需要備份冗余設計。

在星載產品中，最常用來切換主備電路的器件是射頻開關[8-9]，也有大量的文獻對開關的可靠性和環境適應性進行了研究[10-12]。文獻[13]中討論了鐵氧體/機械開關、固態開關(PIN開關和FET開關)和微機械(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)開關的工作機理、各項技術指標以及優缺點。其中，機械開關、鐵氧體開關體積較大，與單片毫米波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)組合困難，并不適用于高集成度的毫米波相控陣天線；而固態開關和MEMS開關均需要額外的驅動電路，這無疑增加了系統的功耗及電路復雜度。

相比有源器件，無源器件不需要額外的驅動電路，因而電路更簡單，可靠性更高，不消耗系統額外的功率。本文提出了用一分二功分器和分支線電橋用于冗余備份的方式，從理論上對兩者進行了對比。對比結果說明采用電橋對信道輸出功率的要求降低，使系統具有功耗、熱耗優勢。最終選擇了電橋用于星載有源相控陣上變頻模塊的備份，并將分支線電橋集成于波束形成網絡，介紹了“電橋+網絡”模塊的研制過程，給出了該模塊的仿真結果、實物圖片和測試結果等。

1 星載有源相控陣

1.1 系統架構

星載有源相控陣天線由天線陣面、TR組件、波束形成網絡、變頻模塊、頻綜、電源模塊、波控器等組成，其組成框圖如圖1所示。

圖1 星載有源相控陣組成框圖

以發射鏈路為例，中頻信號經上變頻[14]后，由波束形成網絡分配至各TR組件，再經TR組件移相、放大后送入天線陣面中各個單元，最終向指定的方向輻射信號。發射天線要實現一定的等效全向輻射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power，EIRP),而鏈路中的功率放大器芯片效率往往有限，因此相較接收天線需要消耗更多的功耗，熱耗也更大。星載平臺空間有限，工作環境相對惡劣，更要慎重考慮功耗、熱耗與體積之間的平衡。

1.2 冗余備份

由于其特殊的應用平臺和環境，星載產品中重要的、相對高失效率的單點電路往往需要備份。

如圖1所示，有源相控陣中有多個射頻通道和輻射單元，個別TR組件產生故障只會導致天線性能的緩慢而有限下降，而其中的變頻模塊則不然。由于器件的輸出功率水平有限，各級傳輸線的損耗，以及鏈路穩定性、平坦度、線性度的要求，變頻模塊必須設計成多個中等增益放大器級聯，邊衰減邊放大，所以整個鏈路效率低。而末級功放需要輸出的信號功率為26 dBmW，根據整機熱仿真結果，該功放芯片結溫高達93.6℃，達不到I級降額要求，可靠性降低，本身屬于相對高失效率的單點模塊。唯一的變頻通道若失效，則會導致整個相控陣天線失效，所以必須對其進行備份。

在星載產品中，最常用來切換主備電路的器件是射頻開關。毫米波相控陣具有集成度高等特點，機械開關、鐵氧體開關體積較大，顯然難以集成；而固態開關和MEMS開關均需要額外的驅動電路，這無疑增加了系統的功耗及電路復雜度。

相比有源器件，無源器件不需要額外的驅動電路，因而電路更簡單,可靠性更高,不消耗系統額外的功率，所以用無源器件來替代開關用于主備切換十分必要。由圖2可知，至少需要一個三端口或更多端口器件來互聯波束形成網絡(可拆分)、主路變頻、備份變頻。以一分N端口的波束形成網絡為例，三端口器件可用一分二功分器，波束形成網絡與無備份時相同，備份原理框圖如圖2(a)所示；四端口器件可用分支線電橋，波束形成網絡須拆分為兩個，且TR組件中一半通道的移相器須補償90°相移，備份原理框圖如圖2(b)所示。后文從多端口網絡的S參數理論比較了兩種無源器件用作冗余備份時的優缺點。

圖2 用無源器件備份原理框圖

2 兩種無源器件對比

2.1 S參數及鏈路損耗對比[15]

以理想的一分二威爾金森功分器為例，威爾金森等效傳輸線電路如圖3所示。

圖3 威爾金森功分器等效傳輸線電路

從端口1輸入的功率對等的分配給端口2和端口3，其[S]矩陣如下：

(1)

從散射矩陣中可以看出，信號從端口2傳輸至端口1時，功率降低一半，對應圖2(a)可知，信號從主/備變頻輸出端經一分二功分器后功率損失一半，相應地，系統指標EIRP也將降低3 dB。也就是說，若要實現相同的系統EIRP，發射功率必須增大一倍，或陣面規模必須擴大一倍，這樣是需要以增加系統功耗或尺寸為代價的。

3 dB電橋是通信系統中常用的無源器件，尤其是在射頻、微波電路與系統中應用廣泛[16]，例如功率信號的分路與合成，用來作為系統中的加法器和減法器，以及結合其他器件構成反射型移相器等[17]。分支線3 dB電橋的原理圖如圖4所示。

圖4 分支線3 dB電橋原理圖

從端口1輸入的功率對等的分配給端口2和端口3，這兩個輸出端口之間有90°相移，沒有功率耦合到端口4(隔離端)。其[S]矩陣如下[18]：

(2)

在電橋中，從端口1輸入的功率也是對等的分配給端口2和端口3，但是，對應圖2(a)可知，信號從主/備變頻輸出端經電橋后，對等分配的兩路信號全部進入了波束形成網絡，進而輸入至TR組件，再通過天線陣面輻射出去。與前面的一份二功分器方案相比，顯然沒有3 dB的功率損失，對系統的功耗和尺寸影響降到了最低。

2.2 可靠性對比

使用芯片開關、功分器、電橋三種方案備份的信道可靠性預計對比如表1所示。

表1 可靠性預計對比

從表1可以看出，使用芯片開關的可靠性明顯低于功分器和電橋兩種無源方案，其中電橋方案的可靠性最高。

2.3 對比小結

根據前面對功分器和電橋兩種無源器件備份方案的對比分析可知，在保證高可靠性的同時，電橋不會造成額外的功率損失，具有較大優勢，因此設計了一個分支線電橋和波束形成網絡集成與一體的模塊，用于星載有源相控陣中變頻模塊的備份。

3 波束形成網絡研制

在本方案中，由于星載相控陣系統結構的體積、重量、安裝方式受限，而微帶線具有加工簡單、體積小、重量輕、帶寬適中、易于集成等優點，因此波束形成網絡采用微帶線方案。該方案體積最小且易于焊接。

3.1 仿真設計

以一分二功分器單元和電橋為基礎，構成波束形成網絡，仿真模型如圖5所示。

圖5 波束形成網絡仿真模型

采用HFSS對以上模型進行全波仿真，仿真結果如圖6所示。

(a)電壓駐波比隨頻率變化曲線

(b)傳輸系數幅度隨頻率變化曲線

(c)傳輸系數相位隨頻率變化曲線圖6 波束形成網絡仿真結果

波束形成網絡仿真結果統計如表2所示，其中相位一致性已扣除90°相位差。

表2 波束形成網絡仿真結果

從圖6和表2可見，在工作頻段23.5～25 GHz內，波束形成網絡的測試駐波比小于1.29，均方根幅度一致性小于0.21 dB,均方根相位一致性小于0.6°，損耗(含分配損耗)小于16.25 dB(即插入損耗小于1.15 dB)。

3.2 測試結果

以一分二功分器單元和電橋為基礎，構成波束形成網絡，接口形式為SMP，通過SMP-KK與TR組件相連接。為了減小焊接空洞率和保證SMP連接器焊接良好，設計加工了專用焊接工裝對印制板和連接器進行焊接。波束形成網絡實物照片如圖7所示。

用矢量網絡分析儀對波束形成網絡進行測試，結果如圖8所示。圖8(a)和圖8(b)分別給出了分別從3 dB電橋的兩個端口輸入信號時的測試結果，測試結果包含端口駐波比、傳輸系數幅度、傳輸系數相位等指標。

(a)左端口輸入信號測試結果

(b)右端口輸入信號測試結果

波束形成網絡測試結果總結如表3所示,其中相位一致性已扣除90°相位差。

表3 波束形成網絡測試結果

從圖8和表3中的測試結果可見，在工作頻段23.5～25 GHz內，波束形成網絡的測試駐波比小于1.8，均方根幅度一致性小于0.4 dB,均方根相位一致性小于4.8°，損耗(含分配損耗)小于17.7 dB(即插入損耗小于2.6 dB)。由于加工、焊接等帶來的誤差，實測結果與仿真結果略不一致，但各項性能仍然良好，可完成星載相控陣中的功率分配和變頻模塊備份功能。

4 結 論

本文提出將電橋集成于原有的波束形成網絡來對Ka頻段星載有源相控陣中的變頻模塊進行冷備份。基于這個出發點，設計并研制了集成電橋的波束形成網絡。在工作頻段23.5～25 GHz內，該網絡的測試駐波比小于1.8，均方根幅度一致性小于0.4 dB,均方根相位一致性小于4.8°，插入損耗小于2.6 dB。相比使用開關等有源器件，這是一種更簡單、高可靠、低功耗的冗余備份技術，非常適用于星載有源相控陣。