基于球面相控阵的卫星信号接收终端设计及实现

余波

中国西南电子技术研究所，四川成都，610036

0 引言

由于具有飞行轨道高、覆盖区域大，使用不受地域、地理和气候条件限制，同时飞行速度快，能够迅速获取地球大量信息等优势，低轨卫星在导航、通信、侦察、气象等方面得到广泛使用[1]。基于传统抛物面天线的接收设备只能形成单波束，同一时刻只能实现单颗卫星信号接收；采用相控天线的接收设备可以同时产生多个波束，实现多颗卫星信号接收[2]。因此，为快速建立星地传输链路，同时实现多颗低轨卫星信号接收及有效载荷业务数据实时处理，生成用户所需信息产品，本文设计了一种基于球面相控阵的便携式可扩展卫星信号接收终端（后续简称“接收终端”）。接收终端采用半球面结构形式及DBF相控阵天线，可同时对全空域多路卫星下发信号进行接收；接收终端配置了丰富的硬件资源，具备卫星信号接收数量扩展能力；接收终端采用小型化和轻量化设计，整机尺寸小、重量轻、易于携带，具备地面、车载及船载安装形式，部署简单、使用方便，可满足不同用户使用需求。

1 接收终端总体设计

为了满足性能指标要求，同时兼顾小型化及多平台使用需求，接收终端在结构上划分为接收解调单元和信息处理单元两部分。接收解调单元由天线阵元、R组件、信号处理平台等组成。信息处理单元由一台加固笔记本电脑组成，内含计算机平台及应用软件等。接收解调单元部署在室外，接收卫星下发的信号；信息处理单元部署在室内，用于对接收终端的操控。接收解调单元与信息处理单元之间通过以太网进行信息交互。接收终端组成示意图如图1所示。

图1 接收终端组成示意图

1.1 接收解调单元设计

接收解调单元主要功能是将接收的卫星信号进行放大、滤波、下变频和模数转换，在数字域完成波束合成和信号的解调，并将解调后原始数据通过千兆网送到信息处理单元进行处理。接收解调单元采用半球面结构形式，最外层为天线罩，中间层为半球形骨架，底层为圆形的安装板。天线阵元和R组件采用波珠连接器相连，一一对应，安装在半球形骨架表面，信号处理平台安装在底层安装板上。接收解调单元组成原理框图如图2所示。

图2 接收解调单元组成原理框图

1.1.1 相控阵天线设计

相控阵天线设计是实现接收终端功能的关键环节，与接收终端数字波束形成、天线增益和波束指向范围等指标密切相关，涵盖了阵面布局、天线阵元设计、阵列尺寸等的设计。

1.1.2 阵列布局设计

为了满足俯仰θ：0～75°、方位Φ：0～360°的全空域覆盖，可选的阵列形式主要有：多边形锥形阵列、梯形阵列、球形阵列。锥形和梯形阵列存在两个缺点：增益分布不均匀、随扫描角度的变化天线增益的起伏较大；口径利用率不高，导致阵元数目较多，重量、成本以及系统复杂度增加。因此接收终端设备采用了半球形的阵列布局。

1.1.3 天线阵元设计

实现定向波束圆极化性能的天线形式有很多，各有其优缺点，在S频带常用的几种如下。

（1）螺旋天线主要指平面螺旋和轴向螺旋，优点是频带宽、增益高、方向图对称、宽角轴比好，缺点是尺寸大、不能实现同时左右旋。

（2）十字阵子是对称阵子的变形，增益适中，优点是频带宽、方向图对称、宽角轴比好，缺点是尺寸大。

（3）微带天线增益适中，优点是尺寸小、剖面低，缺点是频带窄、宽角轴比差。

在此项目中，天线的工作频带仅为4.5%，而且阵列尺寸限制了天线阵元的尺寸，要在要求的阵列结构中实现阵元的排布，需要天线阵元具有尺寸小、剖面低的特点，因此采用微带天线作为阵元。

1.1.4 阵列尺寸

对于较大口径的平面阵列天线来说，增益G、有效辐射面积A、口径效率η≈70%，有以下的关系：

对于球形阵列来说，由于天线阵元的最大增益方向随角度变化，因此球面阵的口径效率η'远小于平面阵列的口径效率η，η'计算如下：

球面积计算如下：

因此对球形阵列来说有：

α为合成阵列时选取的有效照射角域。

根据阵列天线合成增益、有效照射角域及结构尺寸等因素，可以确定整个接收终端的阵列尺寸。

1.1.5 R组件设计

R组件主要由90°电桥、耦合器、低噪放、滤波器等组成。两路输入射频信号首先经90°电桥和耦合器后进入低噪放，然后经过带通滤波、放大输出。标校信号分为两路，通过耦合器进入接收链路。其中R组件使用的直流电源信号也通过标校模拟源信号馈入。R组件原理框图如图3所示。

图3 R 组件原理框图

1.2 信号处理平台设计

信号处理平台是实现射频信号变频、DBF、信号接收解调、标校模拟源及测试信号产生等功能的硬件平台，按照电路功能特性，划分为接收单元、信号处理单元和发射单元。接收单元由接收通道、锁相本振源和功率分配器组成。接收通道实现多路射频信号的接收、变频、放大、滤波及增益控制，输出中频信号提供给ADC进行采样。锁相本振源产生1路本振信号，经功率分配器同相分配后，输入到接收通道进行混频使用。信号处理单元集成了时钟模块、ADC模块、DAC模块、FPGA及DSP等器件。时钟模块完成时钟的分配及抖动控制，时钟分配为3组，一组进入FPGA用于采样，一组用于ADC模块采样，一组用于驱动DAC。ADC模块采用双通道AD芯片，实现多路中频信号模数转换。DAC模块采用了2片DA芯片，用于1路标校模拟源和1路测试信号数模转换。FPGA完成信号的采集、数字滤波、外围电路的初始化、射频的控制以及其他信号处理的工作。DSP负责整个系统的控制，通过千兆网与外部通信。

发射单元由发射载波源、调制模块、衰减模块和功率分配器组成，为接收终端提供内部标校信号。发射单元将DAC产生的I、Q信号通过调制器与发射载波源产生的载波信号完成调制，调制器输出的信号经过数控衰减器调整幅度，调整后的信号经过功率分配器送入R组件。

1.3 信息处理单元

信息处理单元为操作员提供综合显示及人机交互界面，其主要功能为：按照已接收任务计划要求，计算卫星星历，生成角度引导数据，控制波束指向，下发设备任务参数，控制接收解调单元完成对卫星信号的捕获跟踪、解调。信息处理单元应用软件采用平台加插件的开放式技术架构，该技术架构将接收终端设备的通用功能与专用业务功能相分离，通过平台提供的插件管理功能支持专用业务插件扩展，扩展接收终端设备的功能，以适应更多的卫星任务的要求。信息处理单元应用软件技术架构由支撑平台、基础平台、功能插件及集成框架组成。应用软件技术架构如图4所示。

图4 应用软件技术架构

2 接收终端阵列通道校正

DBF技术是指采用数字信号处理技术对阵列输出信号进行处理，在数字域形成可控的波束。DBF技术对阵列通道的幅相一致性要求很严格，通道幅相不一致对波束指向、副瓣电平等技术指标有重大影响，严重时甚至不能形成波束。由于各阵列通道的天线阵元、射频前端器件、连接电缆的不同以及阵元安装精度等因素，接收终端的阵列通道间不可避免存在幅相误差，必须对阵列通道进行幅相一致性校正[3-4]。

接收终端通道幅相一致性校正采用外场校正和内场校正相结合的方法[5-6]。外场校正法是将放置在阵列天线远场确定位置的模拟源输出的校正信号通过无线方式辐射进入各阵元通道，实现通道幅相一致性标校。外场校正法校正信号辐射进入接收终端设备方式与实际接收信号辐射进入接收终端设备的方式基本一致，因此外场校正法可以校正由天线阵元安装精度、接收链路无源器件、有源器件等因素引入的幅相误差。内场校正法是将接收终端设备内部产生的标校模拟源通过有线方式从射频前端R组件的耦合器注入接收链路，实现通道幅相一致性标校。内场校正法没有对天线阵元误差和天线阵元安装位置误差进行校正。

出厂前，接收终端设备分别进行外场校正和内场校正，计算得到初始外场校正系数和初始内场校正系数。出厂后，接收终端设备在每次开机或者任务准备阶段进行一次内场校正，将得到的内场校正系数与初始内场校正系数进行比较，求得内场校正系数的修正值，用于修正初始外场校正系数，使整个通道的幅相一致[7]。接收终端幅相系数修正过程如图5所示。

图5 接收终端幅相系数修正过程

3 性能验证

在完成研制后，接收终端先后在地面和海上开展了多次收星验证，验证结果表明，在不同的工作场景下，接收终端能够快速接收解调卫星下发信号，实时处理卫星有效载荷业务数据，形成用户所需的信息产品。图6为接收终端应用软件收星工作界面。

图6 接收终端应用软件收星工作界面

4 结语

本文设计并实现了一种基于球面相控阵的卫星信号接收终端。接收终端采用接收解调单元和信息处理单元分离设计，在满足性能指标的情况下，实现小型化及多平台使用需求；采用DBF技术及球面相控阵天线，实现俯仰θ：0～75°、方位Φ：0～360°全空域多目标信号快速接收及处理；采用外场校正和内场校正相结合的校正方法，实现通道幅相一致性。经实际收星验证，接收终端满足性能指标要求及使用要求。