基于星载平台的DBF体制接收前端组件研制❋

刘秉策❋❋，周凤艳

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥230088）

基于星载平台的DBF体制接收前端组件研制❋

刘秉策❋❋，周凤艳

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥230088）

研制了一种应用于星载平台DBF接收机前端组件，针对其应用的特殊环境要求，给出了较详细电路设计和实现方法。通过对设计完成的电性件实测结果表明，设计实现的DBF接收前端组件具有高度的宽温稳定性和幅相一致性，同时具有高增益和低噪声系数的特点，测试结果充分证明该项技术在星载平台上应用的条件已经成熟。

有源相控阵天线；星载DBF接收机前端组件；幅相一致性；可靠性设计

1 引言

20世纪90年代初开始逐步在卫星上应用的有源相控阵技术具有低损耗、可大角度动态扫描的特点，利用阵列天线的空间分集效果可以在地球表面实现多波束覆盖，通过波束之间频率复用，能够极大地提高卫星系统的用户容量［1］。通过馈电网络，有源相控阵天线既可以在射频上实现模拟波束形成，也可以通过数字的方式在基带或中频实现，利用数字技术实现波束形成近年来受到了日益关注。DBF是“数字波束形成”的英文缩写，其基本原理是将各天线阵列单元接收到的射频回波信号，无失真地变频成中频信号，再变换成数字信号，然后在高速数字波束形成计算机中进行加权和视频数字全程处理，以形成所需的灵活、高质量接收波束，具有扫描快速灵活、分辨率高、抗干扰和杂波性能优良和故障弱化等优点［2］。

本文设计的DBF接收前端组件位于星上返向链路与S频段相控阵天线输出端之间，组件由滤波器单元和低噪声放大器单元组成，主要负责完成天线回波信号低噪声放大并送入后面的变频单元处理。针对DBF体制接收前端设计来说，必须重点设计通道稳定性和通道间的幅相一致性，因为它不但影响数字波束形成的副瓣电平，还影响到波束指向精度。此外，由于应用在复杂空间工作环境，在满足系统电性能技术指标的前提下，应重点考虑以下3个方面：一是采用成熟技术和电路设计，压缩元器件种类和品种，保证设计的可靠性和继承性；二是尽量简化方案设计，不以追求高指标为目标，降低系统的复杂度；三是采用主／备设计，通过设置冗余电路降低设备的失效率。依据上述思路设计，本文设计了一种星载平台DBF体制接收前端组件，给出了其电路设计、实现方案、主要指标分析及星载电子设备可靠性设计方面等内容，并给出了设计完成的电性件相应的测试结果。据我们所知，国内还没有见到类似报道。

2 接收前端组件的设计

接收前端组件结构如图1所示。一个接收前端组件模块中包含有两路相同的放大通道，可以互为备份。接收通道由两级单元构成，前级滤波器单元主要提供频率选择性，对前向发射信号与卫星其他载荷发射信号提供频率抑制与隔离；后级低噪放单元完成回波信号的放大。由于星地之间通信距离遥远，同时考虑总体对接收前端组件噪声系数指标的要求，设计低噪声放大器单元增益倍数要超过40 dB，为了在大信号干扰的情况下不发生阻塞，在低噪放单元放大链路中加入两级介质带通滤波器B1和B2，介质滤波器具有带宽窄、高Q值、插入损耗较小、阻带衰减高等特点，能够保证接收前端组件满足噪声系数指标的同时抗过载能力达到总体指标要求。

图1DBF接收前端组件组成框图Fig.1 Schematic diagram of DBF receiver front end

2.1 滤波器单元设计

针对应用于复杂空间环境长期在轨运行的要求，滤波器单元采用同轴腔谐振器形式。同轴腔谐振器主要具有可靠性高、体积小、重量轻、Q值大等优点，其性能优良，损耗小，对杂波有较好的抑制性，但是必须仔细处理谐振腔工作频率的宽温稳定性。

使用ADS2008update2仿真软件建立滤波器的电路模型，如图2所示［3］。经过仿真优化可以得到滤波器的传输特性和群延时特性曲线，见图3。

图2 同轴腔谐振器的电路模型Fig.2 Schematic diagram of cavity resonator circuit

图3 同轴谐振腔滤波器特性曲线Fig.3 The characteristic curves of cavity resonator circuit

可以看到，在中心频率f0±3.1 MHz内，幅度起伏不大于0.1 dB，群时延起伏约为0.98 ns，f0± 50 MHz处抑制度小于45 dB，其主要指标能满足总体需求。

由于DBF接收前端组件工作在地球同步轨道，传统的同轴腔谐振器采用的是铝镀银材料，铝具有较大的热膨胀系数，如果不加以优化设计，空间环境温度变化将使滤波器谐振腔的谐振频率产生漂移，从而造成阻带性能变化，使得滤波器的主要性能指标变差。为了克服空间环境温度变化带来的不利影响，必须采用低热膨胀系数材料。殷钢是一种具有极低热膨胀系数材料，随温度的变形极小，适合于制作对温度变形有严格要求的零件，但是其密度大。同轴腔谐振器如果整体使用殷钢设计会使得DBF接收前端组件整体重量大大增加，不适合应用于星载平台这类对重量有着严格要求的场合。为此，设计滤波器中谐振器的内导体及调谐部分与工作频率点敏感的部件采用热胀系数小的殷钢材料，而同轴腔谐振器壳体依旧采用铝材料从而使滤波器在满足电性能指标的前提下，尽可能地减少重量适用于星载平台。进行尺寸优化后，仿真得到谐振器谐振频率随温度变化的曲线如图4所示，同轴腔谐振器温度系数约为4 ppm／℃，这样工作环境温度变化带来的谐振频率的改变相对于接收前端组件工作通带的影响基本可以忽略。

图4 谐振腔频率随温度变化特性曲线Fig.4 The variation curve of resonate frequency with temperature change

2.2 低噪声放大器单元设计

接收通道的级联噪声系数可以表示为

式中，Fi是接收通道第i级放大器的噪声系数，Gi是接收通道中第i级放大器的增益。可以看到，只要第一级放大器具有足够高的增益，那么整个接收通道的噪声系数基本决定于第一级放大器的噪声系数。另外，接收通道的灵敏度也受到噪声系数的制约，灵敏度定义为接收通道可检测的最小信号功率，表示接收微弱信号的能力。接收通道灵敏度越高，所能接收的信号就越弱。通常使用下式来计算：

其中，Fs为前端的噪声系数，BW为信号带宽。可见灵敏度受噪声电平制约，所以要提高接收通道灵敏度，必须尽量减小系统的噪声系数。通过计算链路增益分配可知，选择第一级放大器的噪声系数满足NF≤0.7 dB，增益在于等于30 dB，后级电路对系统噪声系数的影响可以忽略［3］。

低噪声放大器的增益通常随着工作升高而降低，为了满足宽温工作下对接收通道增益起伏变化的要求，必须在放大链路中串入一个温度补偿衰减器。为了达到较好的补偿效果，温补电路通常位于整个放大链路中的末级放大器之前，其实现原理如图5所示。

图5 温补电路的功能实现示意图Fig.5 Schematic diagram of temperature compensation circuit

工作温度范围内单个低噪声放大器的增益变化约为0.7 dB，则整个放大链路的线性增益的最大起伏约为1.5 dB。可以选用EMC公司的TV A0300N09W3S，其温度特性曲线如图6所示。温补衰减器型号的确定是以实测通道的温度－增益曲线为依据。

图6TVA0300N09W3S的温度特性曲线Fig.6 Temperature characteristic curve of TVA0300N09W3S

2.3 幅相一致性设计

如前所述，通道稳定性和通道间幅相一致性直接影响接收数字波束形成的副瓣电平和波束指向精度。针对星载平台这类特殊工作环境，必须仔细考虑DBF体制接收前端宽温条件下的通道稳定性和通道间幅相一致性设计。

2.3.1 幅度一致性设计

为满足对DBF接收前端组件幅度一致性要求，首先必须保证关键器件滤波器和低噪声放大器本身的幅度一致性，该指标主要是由这些器件本身的带内波动，以及相互之间的阻抗不匹配所导致的。为此，设计中采用了如下设计措施：

（1）选择高质量可靠等级的元器件，同时装配之前，对元器件进行配对筛选，确保其在工作频段内具有良好幅度、驻波特性；

（2）使用真空钎焊将微带基板直接焊接于壳体，不但改善微波电路的接地效果，还能够提高抗电磁干扰能力；

（3）使用压片装配方式，将低噪声放大器管壳与微带板压紧固定，不但能够改善低噪放的接地效果，同时还能提高抗航天力学环境能力；

（4）滤波器单元和低噪放单元之间使用同轴隔离器进行隔离；低噪放单元内低噪声放大器和介质滤波器之间使用3 dB以上衰减器改善驻波比，消除“驻波牵引”；通过调整各级电路的匹配状态、增加电路隔离度等方法，达到各器件之间的良好匹配；

（5）最后一级放大器前插入一个使用电阻搭成的π型电阻衰减网络，该网络可对整个放大链路的增益进行微调。

采用以上措施，可以满足对接收前端组件幅度一致性的要求［4］。

2.3.2 相位一致性设计

DBF接收前端组件的相位一致性不仅仅取决于各个元器件的相位一致性，还受加工、工艺、装配、调试带来的驻波变化影响。

（1）从加工制造来说，影响相位一致性的因素主要有微带介质板的工艺原因导致介电常数的不一致、微带板及外壳由于机加公差的波动导致尺寸精度不能保证、电装引入的误差。在设计中采用以下措施：微带介质板选用同一批次介电常数一致性较好的产品；采用数控加工技术保证微带板的机加精度的一致性；在满足电性能的前提下，选用加工性能良好的金属材料作为壳体材料，同时使用采用数控加工技术保证加工精度；表贴器件使用回流焊工艺；低噪声放大器手工电装时，同一器件由同一人装配，避免电装的不一致性。

（2）从电路设计及调试来说，优化电路设计、元器件布局时要避免相互影响和微带传输线间的相互耦合，减少微带线的弯折、跳变等不连续性的影响；每个放大低噪声放大器电源馈电处并联一个0.01μF低频独石电容和10μF钽电容进行滤波处理，同时串联一个铁氧体绕线电感进行隔离，防止射频信号通过电源线相互串扰；各级电路的必须具有好的稳定性和驻波特性；放大器与滤波器之间级联要加入衰减器进行匹配；介质带通滤波器输入输出端之间使用隔筋，空间上进行隔离，防止输入输出端之间的相互空间串扰。只有这样才能在调整相位一致性时不致使其他指标偏差太大。为满足相位一致性，原则上对组装好的电路最好不进行任何调试。但实际还需对电路进行微调来保证相位一致性，采用的措施有：在调试各通道电路时，尽量使调试点完全一致；通过改变互连电缆长度等措施抵消固定相差［5］。

3 可靠性设计

为了能够在空间环境中长期可靠工作，航天电子设备的可靠性设计是一个重要内容，包括元器件降额设计、热设计、抗辐照设计、电磁兼容设计、静电防护设计、抗力学环境设计、容差设计等。限于篇幅限制，本文仅对接收前端的热设计和力学设计进行简单介绍［6］。

3.1 热设计分析

在真空环境下，只有热传导和热辐射两种散热途径，且传导散热比辐射散热更为显著有效。因此，热设计着重以导热的观点出发，使电路中的热量尽可能以最短路线传递：将功耗大的元器件分散安装，均匀传导散热；选用高导热系数材料；减小接触面之间的接触热阻。接收前端组件中功耗较大的器件主要为砷化镓低噪声场效应管放大器，设计微带板时，器件底部焊盘大面积敷铜接地，在接地焊盘过孔内填充导热铜柱，加强热传导效率，低噪放管壳采用压片装配方式紧贴微带板。微带板采用真空钎焊的方式直接固定在组件壳体上，提高接触面的平整度和光洁度，最大限度降低传导热阻。

3.2 航天抗力学环境设计

为保证产品在航天力学环境下的可靠性，保证接收前端组件有足够的结构刚度和结构强度，同时综合考虑热设计、抗辐照、EMC等设计要求，组件在外形设计上尽量降低总质心、降低高度；在主结构上受力和力矩较大部位设置加强筋；板间采用咬接或者镶嵌配合方式加强板之间的连接强度和抗振能力；在组件刚度要求的前提下，组件中的PCB基频尽可能与组件的基频错开，错开频率一般应满足倍频律的要求，以防止发生振动耦合放大；一般元器件布局应均匀，抗振性能差或关键元器件应适当布置在远离载荷输入端及印制板上靠近组件外壳的边缘处。

4 测试结果

设计完成的接收前端组件外形如图7所示。

图7 单个接收前端组件外形图Fig.7 The outline of receiver front-end

星载DBF接收前端组件对全温范围内的通道稳定性和通道间的幅相一致性有着较为苛刻的指标要求。按照环控温度－10℃～50℃内以5℃为步进，分别进行噪声、带内增益起伏、群时延波动和通道间幅相一致性测试，根据实物测试，接收前端组件中每路接收通道技术指标如下：

（1）每路单通道增益满足：42±0.3 dB；

（2）每路单通道噪声系数：≤1.4 dB；

（3）每路单通道带内增益起伏：≤0.3 dB；

（4）每路单通道带内群时延特性起伏：≤4 ns；

（5）每路单通道带内增益不一致性：≤±0.2 dB；

（6）每路单通道带内相位不一致性：≤±3°；

（7）每路单通道带之间的带内“相位-温度”特性不一致性：≤±3°。

5 结论

本文介绍了一种应用于空间环境DBF接收机中的接收前端组件，给出了较详细电路设计和实现方法，以及主要技术指标分析和测试结果，并对星载电子产品可靠性设计进行了描述。本文设计的成功实现对今后各类采用接收DBF技术的星载平台研制有着较强的针对性和指导性，具有一定的工程价值。后续正样件的研制攻关集中在保证宽温稳定性和高幅相一致性的前提下，尽可能降低组件体积和重量。

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［3］弋稳.雷达接收机技术［M］.北京：电子工业出版社，2004. GE Wen.Radar Receiver Technology［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2004.（in Chinese）

［4］周凤艳.现代DBF雷达多通道接收机的实验研究［J］.雷达科学与技术，2007（8）：304－308. ZHOU Feng-yan.Experimental study of multi-channel receiver of digital beam-forming radar［J］.Radar Science and Technology，2007（8）：304－308.（in Chinese）

［5］苗立军，张东，孙宝平.幅相一致低杂散多通道上变频器设计［J］.无线电工程，2009，39（12）：45－48. MIAO Li-jun，ZHANG Dong，SUN Bao-ping.Design of multi-channel up-converter with high amplititute-phase consistency and low spurious signal［J］.Radio Engineering，2009，39（12）：45－48.（in Chinese）

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LIU Bing-ce was born in Hefei，Anhui Province，in 1981.He received the Ph.D.degree from University of Science and Technology of China in 2011.He is now an engineer.His research concerns microwave components and RF circuit design.

Email：liubingce＠126.com

周凤艳（1962—），女，贵州都匀人，高级工程师，主要从事雷达接收系统及微波电路的研制工作，曾获部科技进步一等奖。

ZHOU Feng-yan was born in Duyun，Guizhou Province，in 1962.She is now a senior engineer.Her research concerns radar receiving system and microwave circuit.

Development of a Satellite-borne Multi-channel Receiver Front End of Digital Beam-Forming

LIU Bing-ce，ZHOU Feng-yan
（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230088，China）

A satellite-borne multi-channel receiver front end of digital beam-forming is presented for the demand of application in complex space environment.The design scheme，realization method and the reliability design are introduced in detail.The test result shows the specification of the developed receiver front end meets the requirements，and has characteristics of high degree of integration，compact structure，excellent performance of stabilities among its multiple channels in amplitude and phase.Also the results illustrate that the satellite-borne receiver adopting DBF is a proven technique.

active phased array antenna；satellite-borne digital beam-forming receiver；front end module；consistency in amplitude and phase；reliability design

date：2013－04－28；Revised date：2013－06－24

❋❋通讯作者：liubingce＠126.comCorresponding author：liubingce＠126.com

TN821；TN927

A

1001－893X（2013）07－0917－05

刘秉策（1981—），男，安徽合肥人，2011年于中国科学技术大学获工学博士学位，现为工程师，主要研究方向为微波组件和射频电路设计；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.018

2013－04－28；

2013－06－24