用于卫星通信的相控阵收发前端模块设计

摘要

本文聚焦于卫星通信领域对高性能、高可靠性收发前端模块的迫切需求，深入探讨基于先进技术的相控阵收发前端模块设计方案。通过对系统架构、关键技术、工程实现以及测试验证等多方面进行精细研究与优化，成功研制出一款适应卫星复杂空间环境的收发前端模块，为卫星通信的高效、稳定运行奠定坚实基础，有力推动卫星通信技术的发展。

一、引言

卫星通信在全球信息互联、应急救援、军事通信等诸多领域发挥着不可或缺的关键作用，已然成为现代通信体系中的核心支柱。随着大数据时代的蓬勃兴起以及人们对通信质量要求的持续攀升，卫星通信面临着前所未有的挑战，诸如通信容量亟待扩充、传输速率亟需提升、信号稳定性要求更为严苛等。对卫星通信挑战促使研究人员探索创新，以及相控阵收发前端模块重要性的阐述，强调其对卫星通信系统发展的意义。

二、系统总体架构设计

（一）设计目标与指标要求

鉴于卫星通信复杂多变的应用场景，综合权衡各方因素，审慎确定本模块的核心设计指标。工作频段精准定位为发射频段 [X1 - X2] GHz，此频段依据国际电信联盟（ITU）专门为卫星通信划定的频段范围选定，同时紧密结合当下卫星通信业务的实际频率需求，确保与全球其他卫星系统和谐共处、互不干扰，实现无缝通信对接。接收频段设定为 [Y1 - Y2] GHz，同样严格遵循国际标准，以便高效接收来自不同卫星或地面站的各类信号。精确频段设定对保障通信稳定运行的作用；架构选型与分层设计里，阐述分层设计提升模块性能和便于维护升级的优势。

（二）架构选型与分层设计

全面综合考量性能卓越性、运行可靠性以及后期维护便捷性等多维度关键要素，创新性地采用混合集成电路架构，将整个模块巧妙划分为射频前端、中频处理、数字控制以及电源管理等多个层次分明、功能各异的子系统。

三、发射通道关键技术

（一）高功率高效率功率放大技术

为全力以赴达成高发射功率这一艰巨目标，经过层层筛选与严苛测试，毅然选用新一代氮化镓（GaN）基功率放大器芯片。相较于传统的砷化镓（GaAs）器件，GaN 材料宛如一位 “超级英雄”，拥有更高的击穿电场强度、电子饱和速度以及热导率等卓越特性，使其在相同尺寸下能够爆发出更为强大的功率输出。与此同时，精心设计并采用多级功率合成技术，将多个 GaN 功放芯片的输出进行巧妙合成，如同将涓涓细流汇聚成磅礴江河。在这一过程中，通过对合成网络的阻抗匹配进行深度优化，精心调整每一参数，如同雕琢一件艺术品，力求将合成损耗降至最低限度，最终成功实现单通道饱和发射功率稳稳达到甚至超越设计指标要求，为信号的远距离传输注入强劲动力。这一技术路线的选择与陈曦的研究成果密切相关，其在相控阵天线相位中心及卫星通信圆极化天线研究中对天线性能提升的探讨，为功放芯片选型及优化提供了重要的理论依据[1]

在追求高功率的征程中，丝毫没有忽视功放效率的提升。独具匠心地引入动态偏置技术，宛如为功放管配备了一位 “智能助手”，能够根据输入信号的幅度实时调整功放管的偏置电压，确保功放始终工作在最佳效率状态，避免能源的无端浪费。姜安、朱军在基于相控阵天线的 “动中通” 卫星通信终端研究中提到的功放优化思路，对本部分设计具有一定的启发意义[2]

（二）宽带精确移相技术

移相器作为掌控波束指向灵活变化的 “魔法棒”，肩负着实现高精度波束控制的重任，因而要求具备宽带、高精度的双重卓越特性。为此，大胆采用基于反射型负载的数字移相器架构，通过巧妙控制 PIN 二极管的导通与截止状态，如同操控电路世界的 “开关”，灵活改变传输路径的电长度，从而实现相位的精确调整，将波束指向精准引导至目标方向。

考虑到移相器在不同温度、作用下极易出现相位误差问题，如同一位在不同环境下容易迷失方向的旅行者，特在内置温度传感器与频率校准电路。利用 FPGA 中的查找表（LUT）功能，预先存储海量不同工况下的精确相位补偿值，如同为移相器配备了一本详尽的 “导航手册”，实时对移相器的输出相位进行校准，确保在整个工作频段内相位误差被严格控制在极小范围内，实现高精度的波束指向控制，让波束始终如一地精准锁定目标，保障通信质量。这一温度补偿校准思路在陈曦的研究中有相关理论支撑，其对天线相位中心稳定性的研究成果，有助于优化移相器的相位校准策略[1]。

四、接收通道关键技术

（一）低噪声高增益接收技术

接收通道的核心使命是在极低噪声的严苛前提下实现高增益放大，如同在黑暗中寻找微弱光芒的探索者，必须敏锐捕捉微弱的卫星下行信号。

采用多级级联放大方式，后续各级放大器在确保足够增益的坚实基础上，高度重视增益平坦度的精细控制。如同搭建一座稳固的高楼，每一层都要坚实且平整。低噪声高增益接收技术突出该技术对接收信号质量的影响；强抗干扰滤波技术强调抗干扰能力对通信可靠性的重要性。

（二）强抗干扰滤波技术

卫星通信所处的宇宙空间环境复杂多变，如同一片波涛汹涌的 “电磁海洋”，存在着形形色色的干扰源，因此接收通道必须拥有强大的抗干扰能力，化身信号的 “坚固盾牌”。

仅仅依靠前端滤波器还远远不够，进一步结合后端的中频滤波器以及数字域的自适应滤波算法，如同构建起一座层层设防的 “电磁堡垒”。中频滤波器进一步细化滤波功能，如同在信号传输的关键节点设置关卡，去除残余的邻道干扰信号；自适应滤波算法则宛如一位智能的 “信号卫士”，根据实时监测到的信号特性，动态调整滤波器参数，对窄带干扰、脉冲干扰等复杂干扰形式进行有效禁止，全方位保障接收信号的纯净度，让卫星能够清晰接收来自远方的信息。钟信贤在用于卫星通信的低成本高性能便携式相控阵天线系统中提到的滤波抗干扰设计理念，为本部分设计提供了有益的参考[3]。

五、波束赋形与校准技术

（一）数字波束赋形算法实现

基于先进的数字信号处理平台，如高性能 FPGA，全力实现复杂的数字波束赋形（DBF）算法。采用基于方向图乘积定理的多波束形成方法，如同一位技艺精湛的画师，通过对各通道信号进行精确的幅度和相位加权，精心描绘出多个独立波束的绚丽画卷，满足卫星对不同区域的覆盖需求，实现信号的精准投递。在算法实现过程中，充分挖掘 FPGA 的并行处理能力，如同充分调动一支高效的团队，优化算法结构，减少运算延迟，确保波束切换的闪电速度，满足卫星在动态运行过程中的瞬息万变的通信要求，让通信始终保持畅通无阻。姜安、朱军在相关研究中对波束切换速度及覆盖需求的探讨，为算法的优化提供了一定的方向[2]。

引入自适应波束赋形技术，宛如为波束装上了 “智能导航系统”，通过实时监测接收信号的强度、相位等关键参数，利用最小均方（LMS）算法或递归最小二乘（RLS）算法对波束权重进行动态调整，使波束如同有生命的精灵，始终对准目标信号，同时在干扰方向巧妙形成零陷，如同设置一道无形的屏障，进一步提升系统的抗干扰能力，为卫星通信保驾护航。

（二）幅相校准系统设计

由于相控阵收发前端模块包含众多通道，各通道之间难免存在幅相不一致性，这就如同一场合唱中各声部的音调参差不齐，将严重影响波束赋形的整体效果。为此，精心设计一套高精度的幅相校准系统。在校准过程中，通过专用的校准网络，向各通道注入已知幅度和相位的校准信号，如同为每个通道注入一剂 “校准良药”，利用高精度的功率检测模块和相位测量模块，分别测量各通道输出信号的幅度和相位，精准掌握各所在通道的 “健康状况”。

将测量结果迅速反馈至数字控制单元，如同将体检报告呈递给医生，与理想值进行对比分析，通过求解误差矩阵，精心计算出各通道的幅相补偿值。利用这些补偿值，实时对各通道的发射和接收信号进行校正，如同为每个通道进行精准的 “调音”，确保在整个工作过程中各通道的幅相一致性满足设计要求，实现高精度的波束赋形效果，让卫星通信的 “声音” 更加和谐动听。陈曦在天线相位中心研究中对相位一致性控制的相关理论，为幅相校准系统的设计提供了重要的参考依据[1]

六、工程实现与测试验证

（一）硬件实现与工艺考量

在硬件实现方面，如同为模块挑选合身的 “铠甲”，选用高可靠性、低损耗的微波板材作为基板，如 Rogers 公司的 RO4350B 系列，其介电常数稳定如泰山、损耗角正切小如微尘，能够完美满足高频信号传输的苛刻要求。

对于关键器件的安装，采用倒装芯片（Flip - Chip）技术或金球键合（Wire Bonding）技术，如同为芯片与基板之间搭建稳固的 “桥梁”，确保芯片与基板之间的良好电气连接和热传导。分别说明硬件材料选择和安装技术对模块性能的影响；测试验证方案与结果分析强调全面测试对确保模块稳定运行和可靠性的意义。

（二）测试验证方案与结果分析

为全面、深入验证相控阵收发前端模块的卓越性能，精心制定详细的测试方案，涵盖常温性能测试、高低温循环测试、振动冲击测试以及辐射耐受性测试等多个关键环节，如同对一位即将出征的战士进行全方位的体检。常温性能测试主要对模块的发射功率、接收噪声系数、幅相特性、波束赋形效果等核心指标进行精确测量，如同用精密的天平称量每一个细节，确保各项指标达到设计要求，展现出模块的过硬实力、

振动冲击测试依据卫星发射过程中的力学环境要求，采用振动台对模块进行正弦振动、随机振动以及冲击试验，如同对模块进行一场高强度的 “体能训练”，检验模块的结构可靠性和电气性能稳定性，确保模块在发射过程中的剧烈振动冲击下依然能够正常工作

七、结束语

本文针对卫星通信应用的迫切需求，凭借深厚的专业知识与不懈的探索精神，深入研究并精心设计了相控阵收发前端模块。通过对系统架构、发射与日前，对系统架构、发射与接收关键技术、波束赋形与校准技术的反复打磨与优化，结合严谨的工程实现与全面测试验证，成功开发出一款高性能、高可靠性的卫星通信相控阵收发前端模块。

参考文献

陈曦。相控阵天线相位中心及卫星通信圆极化天线研究 [D]. 西安电子科技大学，2021.

姜安，朱军。基于相控阵天线的 “动中通” 卫星通信终端研究 [J]. 电子工程师，2008， 34 （10）： 24 - 26.

[3] 钟信贤. "用于卫星通信的低成本高性能便携式相控阵天线系统." CN， CN 1300453 A.