范占春,董世林,魯 帆,智國平,馬 超,韓運忠

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的更新，對衛(wèi)星的多功能多任務(wù)的要求越來越高[1-3]。為滿足上述需求，單個衛(wèi)星往往配備多個天線和收發(fā)信機來實現(xiàn)特定功能，這種方式系統(tǒng)構(gòu)架復(fù)雜，體積大，給衛(wèi)星應(yīng)用帶來了諸多不便。星載多功能可重構(gòu)終端可以有效解決上述問題，它可以根據(jù)任務(wù)需求對系統(tǒng)功能進行在軌重構(gòu)，單臺設(shè)備完成多種任務(wù)。

目前，星載可重構(gòu)終端研究主要集中在星載天線的重構(gòu)[4-6]。(ASYRIO,antenna system reconfiguration in orbit)是ESA資助的一個研發(fā)項目[7]，該反射面天線可以通過調(diào)整饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對天線方向圖的重構(gòu)，單個天線集成了兩個天線的功能。Astrium公司制造了Inmarsat-4衛(wèi)星多波束反射面天線[8]，可以根據(jù)用戶需求，實現(xiàn)對通信帶寬和信號功率的重構(gòu)。上海微小衛(wèi)星工程中心研制了一套可重構(gòu)相控陣天線[9]，通過對上注天線陣面部分關(guān)鍵參數(shù)的實現(xiàn)了天線指向的重構(gòu)功能，但系統(tǒng)未設(shè)計通信體制等重構(gòu)功能。

本文給出了一種星載多功能可重構(gòu)終端設(shè)計方案，將天線、射頻和收發(fā)信機集成設(shè)計為一個終端，實現(xiàn)了天線極化、方向圖、通信調(diào)制等在軌重構(gòu)，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜性并提高了系統(tǒng)多任務(wù)能力。

以下章節(jié)的內(nèi)容為：第2節(jié)介紹了星載多功能可重構(gòu)終端的系統(tǒng)方案和設(shè)計思路；第3節(jié)介紹了終端設(shè)計和實現(xiàn)情況；第4節(jié)對在軌重構(gòu)實驗驗證情況進行了描述，給出實驗結(jié)果。最后一節(jié)對本文內(nèi)容進行了總結(jié)，并給出了一些結(jié)論。

1 系統(tǒng)方案和架構(gòu)

星載多功能可重構(gòu)終端基于數(shù)字相控陣架構(gòu)[10-14]，但本方案與常規(guī)的數(shù)字相控陣主要有三點不同：

1)設(shè)計采用了可重構(gòu)天線單元，可以根據(jù)任務(wù)需求在軌進行極化重構(gòu)；

2)數(shù)字基帶采用雙FPGA設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)字基帶在軌動態(tài)重構(gòu)功能；

3)對射頻系統(tǒng)進行了優(yōu)化，將部分天線功能集成至射頻前端電路中。

星載多功能可重構(gòu)終端系統(tǒng)框架如圖1所示，整個系統(tǒng)由天線陣列，多通道射頻收發(fā)前端和數(shù)字收發(fā)信息處理單元構(gòu)成。

圖1 星載多功能可重構(gòu)終端系統(tǒng)框圖

天線陣列由多個收發(fā)共用的可重構(gòu)天線單元構(gòu)成。每個天線雙點饋電，采用VM矢量調(diào)制器，調(diào)整兩個饋電間的幅度相位，進而實現(xiàn)天線極化的調(diào)整。

多通道射頻收發(fā)前端包括多個射頻收發(fā)通道，主要實現(xiàn)中頻信號與射頻信號間的變頻功能。每個通道包含1個收通道和1個發(fā)通道，通過環(huán)行器實現(xiàn)收發(fā)通道的隔離。

數(shù)字收發(fā)信息處理單元主要包括AD模塊、DA模塊，信息處理模塊，其中信息處理模塊是多功能可重構(gòu)終端的核心，通過信息處理模塊的在軌重構(gòu)，可實現(xiàn)整個終端的重構(gòu)。

本文所述的數(shù)字收發(fā)信息處理單元提供兩種靈活的重構(gòu)模式。一種為參數(shù)重設(shè)模式，根據(jù)綜合電子指令調(diào)整系統(tǒng)中部分關(guān)鍵參數(shù)，從而實現(xiàn)終端功能的重構(gòu)。這種方式星地通信數(shù)據(jù)量小，可靠性高，但是僅能實現(xiàn)終端部分功能重構(gòu)，終端實現(xiàn)天線極化、方向圖重構(gòu)主要采用這種方式。另一種為軟件在軌重加載模式，通過綜合電子向數(shù)字收發(fā)處理單元中上注新的軟件，實現(xiàn)星載終端的功能升級。這種方式缺點是需要大量的傳輸數(shù)據(jù)，對星地通信穩(wěn)定性要求高，優(yōu)點是可以實現(xiàn)整個終端的功能重構(gòu)。

2 設(shè)計與實現(xiàn)

為驗證上述方案，本文設(shè)計研制一個多功能可重構(gòu)通信終端，終端工作在C頻段，射頻帶寬50 MHz，包括8個天線單元和8個射頻收發(fā)通道，數(shù)字收發(fā)信息處理單元包括8路AD、8路DA和2片F(xiàn)PGA，中頻工作頻率150 MHz。為優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，在實際產(chǎn)品實現(xiàn)中可重構(gòu)天線單元中VM調(diào)制器、功分器等電控部分集成至射頻前端中，通過多芯片組件技術(shù)(MCM)實現(xiàn)，這種方式可以降低設(shè)備間接口復(fù)雜程度，使得系統(tǒng)集成度更高。

2.1 天線陣面設(shè)計

為了展寬天線的工作帶寬，本文的天線單元采用了輻射貼片、空氣腔和饋電貼片的微帶天線結(jié)構(gòu)形式，空氣腔使得天線的工作帶寬得到了有效展寬。輻射單元介質(zhì)基板選用介電常數(shù)為2.94的ROGERS6002，介質(zhì)厚度為1.524 mm，饋電部分采用同軸饋電形式，上層為輻射貼片，下層為饋電貼片，中間為空氣腔，使得天線的工作帶寬得到了有效展寬。天線單元包含兩個饋電點，饋電1工作時天線形成水平極化，饋電2工作時天線形成垂直極化。

HFSS仿真結(jié)果表明，天線兩個線極化方向圖增益均優(yōu)于5 dB，8個天線單元組陣后，天線增益優(yōu)于14 dB。圖2為天線單元駐波實測結(jié)果，實測結(jié)果表明，天線在3.3～3.4 GHz帶寬內(nèi)，駐波優(yōu)于1.5。

圖2 單元天線測試結(jié)果

2.2 多通道射頻收發(fā)前端設(shè)計

射頻收發(fā)模塊主要包括射頻收發(fā)通道和本振模塊。射頻收發(fā)通道包括8路收發(fā)通道，每個收發(fā)通道同時集成了對應(yīng)天線單元的極化重構(gòu)電路。

射頻前端天線極化重構(gòu)電路如下所示，天線極化重構(gòu)前端利用Lange耦合橋替代了兩路VM調(diào)制器，通過射頻開關(guān)選擇Lange耦合器的輸入端，可以控制兩個輸出端口的幅度相位，進而控制天線工作于左旋圓極化或右旋圓極化。這種方式雖然損失了天線單元線極化重構(gòu)能力，但是簡化了系統(tǒng)設(shè)計，一方面，雙圓極化重構(gòu)已經(jīng)可以滿足大部分星載通信的需求，另一方面對于星載線極化通信，也可直接使用圓極化進行通信。

射頻收發(fā)通道包括發(fā)通道和收通道，為提升產(chǎn)品星載適應(yīng)性抗輻照能力，射頻通道中絕大部分芯片均采用砷化鎵工藝的芯片。其中Rx電路首先通過一個低噪放，壓制整個接收通道的噪聲并且增加系統(tǒng)增益；同時利用可變增益芯片，以補償信道變化并增加中頻輸出的動態(tài)范圍，確保了A/D轉(zhuǎn)換器的最佳驅(qū)動。整個Rx電路系統(tǒng)增益70 dB，噪聲系數(shù)優(yōu)于2.4。

發(fā)射通道主要針對射頻功率穩(wěn)定性進行了優(yōu)化。射頻功率穩(wěn)定性能主要受輸入功率和環(huán)境溫度的影響，因此在發(fā)射通道中采用了可變增益芯片和溫補衰減器?？勺冊鲆嫘酒鶕?jù)DA輸出情況進行增益調(diào)整，確保末級功放輸入功率穩(wěn)定；溫補衰減器低溫時衰減量增大,高溫時衰減量減小，在兩級功放間串入溫補衰減器，可以使通道增益維持在一個極小的范圍內(nèi)變化。整個發(fā)射電路系統(tǒng)輸出功率優(yōu)于23 dBm，在-20～+55 ℃內(nèi)功率穩(wěn)定度優(yōu)于±0.5 dB。

圖3 天線極化重構(gòu)電路

2.3 數(shù)字收發(fā)信息處理單元設(shè)計

數(shù)字收發(fā)信息處理單元由8路AD、8路DA和2片F(xiàn)PGA構(gòu)成。

1)中頻接收電路設(shè)計:DBF中頻接收電路接收中心頻率150 MHz的中頻模擬信號，經(jīng)過帶通濾波、功率調(diào)整和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字信號。A/D采用差分輸入方式，利用變壓器將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號。A/D采樣時鐘來源于時鐘管理電路，數(shù)字輸出采用LVDS差分信號形式，輸出至處理器電路中的FPGA。

圖4 數(shù)字基帶實物照片

2)中頻發(fā)射電路設(shè)計:中頻發(fā)射電路發(fā)射中心頻率150 MHz中頻模擬信號，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、帶通濾波和功率調(diào)整后，輸出模擬中頻信號。D/A采用差分輸出，利用變壓器將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號。D/A轉(zhuǎn)換時鐘來源于時鐘管理電路，數(shù)字輸入采用LVDS差分信號形式，由處理器電路中的FPGA提供。

3)時鐘管理電路設(shè)計:時鐘管理電路負責(zé)各個模塊所使用的時鐘的產(chǎn)生。時鐘管理模塊產(chǎn)生的所有時鐘均相參，由本地的TCXO產(chǎn)生，時鐘都是由參考時鐘鎖相倍頻產(chǎn)生。TCXO提供10 MHz參考時鐘信號。

4)處理器電路設(shè)計:信號處理模塊的處理器電路采用FPGA1+ FPGA2的架構(gòu)，其中FPGA1完成與AD、DA通信，數(shù)字波束形成、信號調(diào)制和解調(diào)等功能，為滿足功能需求，F(xiàn)PGA1選用了SRAM型的FPGA，具有更多的邏輯資源，可以實現(xiàn)復(fù)雜的信號的處理和控制邏輯；FPGA2主要負責(zé)對外接口通信和FPGA2重加載控制等功能，選用了反絨絲型的FPGA，確保系統(tǒng)工作流程穩(wěn)定。

FPGA2連接到FPGA1的SelectMap接口上，同時連接到數(shù)字收發(fā)信息處理模塊程序存儲芯片上控制FPGA1的加載內(nèi)容。正常上電時FPGA2向FPGA1的SelectMap寫入正常程序；重構(gòu)時，F(xiàn)PGA2向FPGA1的SelectMap加載綜合電子分系統(tǒng)上注的程序，從而實現(xiàn)功能動態(tài)重構(gòu)。另一方面，F(xiàn)PGA2能夠?qū)⒋鎯Τ绦蛑械膬?nèi)容和FPGA1中當前的配置情況進行比較，判斷二者是否發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，如果出現(xiàn)配置不正常的情況，F(xiàn)PGA2就會自動刷新二者出現(xiàn)異常的配置區(qū)，使得FPGA2能夠監(jiān)視單粒子翻轉(zhuǎn)和栓塞的發(fā)生，并自動恢復(fù)。

5)電源管理電路設(shè)計:電源管理電路將外部輸入電源轉(zhuǎn)換為電路所需的各路電源。外部輸入+5 V電源，電路所需電源分為模擬電源和數(shù)字電源。中頻接收電路、中頻發(fā)射電路和時鐘管理電路使用模擬電源，信號處理電路使用數(shù)字電源?？紤]到降低功率損耗，首先由外部輸入的+5 V電源經(jīng)過開關(guān)電源產(chǎn)生+4 VA和+2.5 VA兩路電源，再由+4 VA和+2.5 VA電源通過線性電源組LDOs產(chǎn)生各部分電路的電源，中頻接收電路、中頻發(fā)射電路和時鐘管理電路采用獨立的LDOs。

2.4 重構(gòu)流程設(shè)計

可重構(gòu)終端的重構(gòu)模式有兩種，模式一為參數(shù)重構(gòu)模式，地面可通過遙控指令，實現(xiàn)終端極化方式等功能的重構(gòu)；模式二為軟件在軌重加載，可通過在軌上注的方式更新基帶軟件，可實現(xiàn)整個終端的功能重構(gòu)。模式一的重構(gòu)實現(xiàn)較成熟，現(xiàn)主要介紹模式二的重構(gòu)流程，其實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 重構(gòu)流程圖

1)空閑狀態(tài)：可重構(gòu)終端在上電后，如未收到地面的重構(gòu)請求指令，則保持在空閑狀態(tài)。

2)接收地面上注數(shù)據(jù)：收到重構(gòu)請求指令后，可重構(gòu)終端進入接收地面上注數(shù)據(jù)的狀態(tài)。

3)當上注數(shù)據(jù)未能全部正確接收，或者等待計時器已滿，則重新進入空閑狀態(tài)，并通過下行遙測告知地面站此時終端的狀態(tài)；如果上注數(shù)據(jù)全部正確接收，則進入編程狀態(tài)，并通過下行遙測返回終端狀態(tài)。

4)在編程狀態(tài)下，終端將新上注的程序?qū)懭胫貥?gòu)區(qū)。

5)如果編程失敗，則終端返回空閑狀態(tài)并通過遙測反饋狀態(tài)；如果編程成功，則通過遙測反饋狀態(tài)，并等待地面站的重構(gòu)指令。

6)如果在等待時間內(nèi)未收到地面站的重構(gòu)指令，則放棄此次重構(gòu)，重新進入空閑狀態(tài)，并遙測反饋；如果收到地面站的重構(gòu)指令，則改寫軟件啟動地址，進行軟件重加載，并遙測反饋。

7)在軟件重加載后，終端再次進入空閑狀態(tài)等待指令。

2.5 結(jié)構(gòu)熱控設(shè)計

多功能可重構(gòu)終端采用了瓦片式分層架構(gòu)，以實現(xiàn)星載產(chǎn)品的低剖面。終端從上到下分為天線層、射頻層、射頻熱控層、數(shù)字基帶層、數(shù)字基帶熱控層和結(jié)構(gòu)框架。其中天線層與射頻層間的射頻信號采用了SMP進行連接；射頻層與數(shù)字基帶層中頻信號采用了SMP穿過射頻熱控層進行了垂直互聯(lián)。

為保證終端熱設(shè)計，射頻通道中大熱耗器件均通過金屬過孔灌注金屬漿料的方式將熱量傳輸至射頻通道底部；射頻通道底部通過導(dǎo)熱硅脂與射頻熱控層向連。數(shù)字基帶大熱耗器件采用芯片頂部加裝散熱片的方式，將熱量傳遞至數(shù)字基帶模塊殼體，數(shù)字基帶模塊殼體底部通過導(dǎo)熱硅脂與數(shù)字基帶熱控層相連。最終將所有熱量均傳遞至設(shè)備殼體，統(tǒng)一進行熱控處理。

3 測試結(jié)果及分析

為驗證星載多功能可重構(gòu)相控陣天線設(shè)計正確性，搭建地面原理驗證系統(tǒng)如圖6所示。采用計算機模擬地面站和星載綜合電子系統(tǒng)，地面站模擬計算機安裝于測試間，星載綜合電子系統(tǒng)模擬計算機安裝于微波暗室，通過網(wǎng)線相連。星載綜合電子系統(tǒng)采用422接口向多功能可重構(gòu)相控陣天線發(fā)出控制指令，控制天線進行各種功能重構(gòu)。為滿足星載相控陣天線幅相一致性要求，采用虛擬REV方法對終端進行了校正[15-17]。

圖6 重構(gòu)實驗

3.1 極化重構(gòu)驗證測試

利用參數(shù)重構(gòu)模式實現(xiàn)終端的極化重構(gòu)，并在微波暗室進行了天線方向圖和極化測試。測試結(jié)果如表1所示。

表1 極化重構(gòu)測試結(jié)果

極化重構(gòu)前天線工作為左旋圓極化，極化重構(gòu)后天線工作為右旋圓極化。由表1可知，終端具備左右旋極化重構(gòu)功能，可以在軌實時重構(gòu)。

3.2 方向圖重構(gòu)驗證測試

方向圖重構(gòu)測試結(jié)果如圖7所示，由圖可知，天線初始狀態(tài)為傳統(tǒng)寬波束模式，天線覆蓋±60°，增益優(yōu)于0.3 dB，經(jīng)重構(gòu)后天線進入高增益狀態(tài)，天線峰值增益13.9 dB。測試結(jié)果表明，可重構(gòu)天線可以實現(xiàn)天線方向圖重構(gòu)功能。終端工作在寬波束模式時，可以應(yīng)用于星載測控模式，支持8 kbps的通信速率；終端工作在窄波束模式時，可以應(yīng)用于話音、圖像等數(shù)據(jù)傳輸模式，支持2 Mbps的通信速率。隨著可重構(gòu)天線陣面的擴展，可以支持通信速率可以更高。

圖7 寬窄波束重構(gòu)方向圖

3.3 動態(tài)功率分配重構(gòu)驗證測試

功率分配重構(gòu)是星載通信終端的重要技術(shù)之一，該技術(shù)根據(jù)實際的通信需求來合理的調(diào)整空間功率分布，使得衛(wèi)星運行更具有經(jīng)濟性。功率分配重構(gòu)實驗結(jié)果如圖8所示。

目標1通信區(qū)域為+20°方向，目標 2通信區(qū)域為-60°。由圖8可以看出重構(gòu)后目標1區(qū)域功率下降3.4 dB，目標2區(qū)域功率上升2.8 dB，通信終端具備根據(jù)通信速率等需求動態(tài)分配發(fā)射功率的能力。

圖8 通信天線動態(tài)功率重構(gòu)測試結(jié)果

3.4 通信體制重構(gòu)驗證測試

通信體制重構(gòu)需對整個FPGA1的程序進行更新，試驗中將地面站模擬器將新程序傳輸至綜合電子模擬器，綜合電子模擬器通過RS422總線向可重構(gòu)終端傳輸新程序。

FPGA2收到新程序后對其進行校驗，存儲。程序傳輸結(jié)束后，F(xiàn)PGA2將新程序數(shù)據(jù)加載至FPGA1實現(xiàn)程序的更新。整個更新過程中傳輸數(shù)據(jù)采取非常嚴格的校驗和糾錯措施，若出錯則需要進行數(shù)據(jù)重傳確保新程序的正確性。為驗證波形重構(gòu)功能，我們在暗室接收天線端設(shè)計了解調(diào)設(shè)備，解調(diào)后數(shù)據(jù)波形如圖9所示，測試結(jié)果表明：重構(gòu)前，終端通信體制為BPSK，通信速率為8 kbps；重構(gòu)后，終端通信體制為QPSK，通信速率64 kbps。

圖9 重構(gòu)前后解調(diào)后數(shù)據(jù)

3.5 系統(tǒng)多功能驗證測試

上述分析可以看出，終端已實現(xiàn)了BPSK和QPSK通信功能，可以滿足衛(wèi)星測控、通信等需求，本小節(jié)重點對終端DOA功能進行測試驗證。DOA可以根據(jù)接收信號計算信號來波方向，一方面可以用來跟蹤移動通信目標，實現(xiàn)星間自主跟蹤通信；另一方面，可以用于電子偵察領(lǐng)域，定位干擾目標方向。為滿足星載定位的實時性，減少衛(wèi)星運動對定位精度的影響，DOA采用了多波束比幅測向的方式[18-20]，測向結(jié)果如圖10所示。經(jīng)過實測結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，終端在±30°范圍內(nèi)，測向精度優(yōu)于0.2°(標準差)，在更大范圍內(nèi)，測向精度變差，達到了1.2°。這是因為隨著掃描角度增大，算法中所用的理想方向圖與實際方向圖差別越大，后續(xù)可以通過方向圖修正的方式，提升測向精度。

圖10 DOA測試結(jié)果(信號源功率-5 dBm)

綜合上述分析，星載多功能可重構(gòu)終端可以同時實現(xiàn)了通信和電子偵察多種功能。

4 結(jié)束語

本文給出了一種星載多功能可重構(gòu)終端的設(shè)計方案并進行了實驗驗證。該終端以數(shù)字可重構(gòu)天線為基礎(chǔ)，綜合采用了數(shù)字處理器動態(tài)重構(gòu)、智能優(yōu)化、空間譜估計等先進技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種星載多功能可重構(gòu)終端。實現(xiàn)了單付天線通過重構(gòu)技術(shù)兼具測控、通信、偵察3種天線的功能。同時，還可實現(xiàn)在軌后的終端功能重構(gòu)，為星載多功能可重構(gòu)終端提供了一種有效的解決方案，具有架構(gòu)簡單，系統(tǒng)靈活，可擴展性強等特點。

多功能可重構(gòu)終端測控模式具備在軌寬窄波束重構(gòu)能力，能夠支持衛(wèi)星低速保底測控和高速應(yīng)急測控兩種測控需求。通信模式具備在軌動態(tài)功率重構(gòu)能力，能夠支持衛(wèi)星對降雨、通信業(yè)務(wù)量大等重點區(qū)域的局部動態(tài)增強功能，針對不同應(yīng)用場景配置不同天線工作模式，可以有效提升衛(wèi)星資源利用合理性和通信鏈路可靠性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，本方案采用了瓦片式結(jié)構(gòu)，綜合考慮DBF相控陣各模塊互聯(lián)和散熱需求，利用SMP、微型接插件等小型化垂直互聯(lián)方式，設(shè)計了一種適用于DBF相控陣的瓦片式分層架構(gòu)，實現(xiàn)了星載多功能可重構(gòu)天線的低剖面和高集成度設(shè)計。在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計上，通過軟硬件資源合理優(yōu)化，將偵察天線、射頻通道與偵察載荷在多功能可重構(gòu)終端中一體化集成，實現(xiàn)了天線、射頻通道、有效載荷的一體化，為星載天線和載荷一體化設(shè)計提供了一種技術(shù)途徑。

本方案在設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了原理樣機的實現(xiàn)，通過實測驗證，證明了產(chǎn)品設(shè)計的正確性，后續(xù)我們將圍繞可重構(gòu)終端的寬帶化和星載雷達應(yīng)用開展下一步工作。