《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于陣列信號處理的一體化模塊設(shè)計
2015年微型機與應(yīng)用第9期
張 濤1,2,,龐鵬翔2,,董加偉2
(1.天津大學(xué) 電子信息學(xué)院,,天津 300072; 2.天津津航計算技術(shù)研究所,天津 300308)
摘要: 當(dāng)今通信設(shè)備飛速發(fā)展,但由于頻譜資源的限制,,通信設(shè)備之間的互擾問題越來越嚴重。為了解決這一日益突出的問題,,對陣列信號處理技術(shù)進行了研究,。陣列信號處理技術(shù)是利用多個天線采用空時濾波的手段消除干擾信號,。本文研究了針對陣列信號處理技術(shù)的一體化模塊的設(shè)計,,根據(jù)陣列信號處理的需求完成了天線和射頻部分的制作,,并進行了測試。天線單元實現(xiàn)軸比3 dB的仰角范圍是±60°,,軸比6 dB的仰角范圍為±77°;3 dB軸比帶寬為20 MHz,,6 dB軸比帶寬在40 MHz以上,。射頻單元采用多通道一體化設(shè)計,經(jīng)測試該模塊幅度誤差<1 dB,,相位誤差<2°,。并對此模塊進行了半實物仿真,其濾波效果優(yōu)于60 dBc,。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 當(dāng)今通信設(shè)備飛速發(fā)展,,但由于頻譜資源的限制,通信設(shè)備之間的互擾問題越來越嚴重,。為了解決這一日益突出的問題,,對陣列信號處理技術(shù)進行了研究。陣列信號處理技術(shù)是利用多個天線采用空時濾波的手段消除干擾信號,。本文研究了針對陣列信號處理技術(shù)的一體化模塊的設(shè)計,,根據(jù)陣列信號處理的需求完成了天線和射頻部分的制作,并進行了測試,。天線單元實現(xiàn)軸比3 dB的仰角范圍是±60°,,軸比6 dB的仰角范圍為±77°;3 dB軸比帶寬為20 MHz,,6 dB軸比帶寬在40 MHz以上,。射頻單元采用多通道一體化設(shè)計,經(jīng)測試該模塊幅度誤差<1 dB,,相位誤差<2°,。并對此模塊進行了半實物仿真,其濾波效果優(yōu)于60 dBc,。

  關(guān)鍵詞: 陣列信號處理,;軸比;幅度誤差,;相位誤差

0 引言

  在通信設(shè)備飛速發(fā)展的今天,,通信設(shè)備在更加復(fù)雜的電磁環(huán)境中工作,它們之間的干擾也越發(fā)的嚴重,。通信設(shè)備的抗干擾技術(shù)成為關(guān)鍵技術(shù)之一,。

  通信設(shè)備的抗干擾體制分為擴譜通信抗干擾技術(shù)和非擴譜通信抗干擾技術(shù)。這兩種通信技術(shù)在現(xiàn)今通信系統(tǒng)中均普遍存在,,因此需要一種可以適應(yīng)兩種體制的抗干擾方法,。陣列信號處理技術(shù)在不需要獲得干擾和信號方位信息的條件下采用自適應(yīng)濾波技術(shù)實現(xiàn)抑制干擾,,是一種十分有效的手段。本文對陣列信號處理技術(shù)中的天線和射頻模塊的設(shè)計技術(shù)進行了研究,。

1 原理與設(shè)計

  陣列信號處理技術(shù)是一種采用多天線自適應(yīng)調(diào)零的技術(shù),。利用不同位置的天線對干擾信號進行估計,采用空時濾波技術(shù)對干擾信號進行消除,??諘r信號濾波技術(shù)主要利用接收到的多路信號的幅相信息進行估計,因此對無線信道的各個通道的信號幅相特性提出了較高的要求[1],。

  1.1 天線設(shè)計

  根據(jù)需求,,所采用的天線為天線陣列,在天線設(shè)計時需要充分考慮天線單元之間的互耦問題[2-3],。天線陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,。

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  此天線陣列共有7個天線單元,其中中間的天線單元為發(fā)射天線,,周圍6個為接收天線,。根據(jù)此布局對天線特性進行了仿真。天線的介質(zhì)板是Taconic生產(chǎn)的TRF-43介質(zhì)板,,厚度為64 mil,,即1.63 mm,介電常數(shù)為4.3,,覆銅厚度為1 oz/ft2,。同軸連接器為50 Ω SMA連接器,直徑為200 mm,,輻射貼片邊長為28 mm,,接地板邊長為40 mm,饋電點的位置距離相應(yīng)接地板中心6 mm,,切角大小為3.0 mm和3.1 mm,,周圍天線單元距離中心天線單元的尺寸為半波長。

  1.2 射頻多通道模塊設(shè)計

  射頻多通道模塊包括六路接收,、一路發(fā)射和基帶數(shù)字處理的多功能模塊,。根據(jù)指標(biāo)需求,要求接收通道的幅度誤差<1 dB,,相位誤差<2°,。發(fā)射通道的發(fā)射功率為20 dBm。

  射頻多通道模塊的發(fā)射通道采用直接上變頻形式對基帶信號進行上變頻,。由FPGA輸出的I,、Q信號通過D/A輸出送入正交上變頻器,正交上變頻器直接把信號變頻至所需要的射頻頻率上,,通過SMA接口送到發(fā)射天線,。發(fā)射通道的原理框圖如圖2所示,。

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  射頻接收通道采用超外差接收機架構(gòu),射頻通道與基帶處理部分為70 MHz標(biāo)準(zhǔn)中頻接口,。六路接收通道的AGC控制電平由FPGA采用統(tǒng)一電平控制,。單一接收通道的原理框圖如圖3所示。要想達到最佳的濾波效果,,陣列天線的不同通道之間必須保持嚴格的一致性,。六路接收通道為相干通道,六路采用同一的本振信號,,以保證六路之間的相位特性一致。同時設(shè)計過程中加入了多個幅相調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò),,射頻幅相調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是電路設(shè)計的難點和重點,,需要在保證各個通道幅相調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)一致性的同時,保證在單獨調(diào)諧幅度或相位的過程中不會導(dǎo)致另一個不希望變化的變量發(fā)生變化,。

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  多通道射頻模塊關(guān)鍵組件為相干本振組件,,根據(jù)整機的指標(biāo)分解,要求本振的相噪指標(biāo)為:-70 dBc@100 Hz,,-80 dBc@1 kHz,,-90 dBc@10 kHz。相干本振源采用PE3336作為主要芯片進行電路設(shè)計,。參考源的選擇主要基于電路設(shè)計的指標(biāo)要求,,由于環(huán)路濾波器的作用,參考源會影響到頻率綜合器的近端的相位噪聲,,在本設(shè)計中選用溫補晶振,,溫補晶振具有輸出頻率不隨溫度變化的特點,在環(huán)境溫度變化的情況下參考源的性能基本不變,,可以滿足不同環(huán)境條件下的使用要求[4],。環(huán)路濾波器是PLL頻率合成器的重要部件,其設(shè)計直接影響到鎖相環(huán)路的相位噪聲,、鎖定時間,、環(huán)路穩(wěn)定性。根據(jù)芯片的鑒相器的形式,,這里選擇有源比例積分濾波器作為環(huán)路濾波器,。根據(jù)鎖相環(huán)路的基本理論[5]可知,二階環(huán)是絕對穩(wěn)定的,,所以采用二階有源比例積分濾波器,,濾波器的電路圖如圖4所示。

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2 試驗測試

  通過仿真計算對天線陣列進行了實際的制作,,如圖5所示,。天線的方向圖和駐波圖的仿真結(jié)果如圖6所示,。

  射頻多通道模塊的設(shè)計中,采用一塊多層印制板對6個接收通道和1個發(fā)射通道,,以及相干本振進行了集成,,對關(guān)鍵位置采用了鍍銀屏蔽罩進行屏蔽,模塊實物圖如圖7所示,。

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  對頻率合成器的指標(biāo)進行了測試,。本振的相位噪聲的實測值為-61 dBc@100 Hz,  -80 dBc@1 kHz,,-85 dBc@10 kHz,,實測結(jié)果與估算值相當(dāng),如圖8所示,。

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3 系統(tǒng)測試

  對天線射頻一體化模塊進行了測試,,將測試結(jié)果進行了半實物的仿真,仿真結(jié)果如圖9所示,。

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  干擾信號分別從方位角和俯仰角為(40°,,-50°)、(50°,,40°),、(130°,-60°),、(140°,,50°)入射,從圖9可以看出陷波效果優(yōu)于60 dBc,。

4 結(jié)論

  本文對陣列信號處理中的天線射頻模塊的一體化設(shè)計進行了詳細論述,,并制作了相應(yīng)的天線、射頻模塊,,并對制作的模塊進行了測試,,根據(jù)測試結(jié)果進行了半實物仿真,對系統(tǒng)的性能進行了驗證,,在無其他輔助手段的情況下,,天線陣列的濾波效果優(yōu)于60 dBc。

  參考文獻

  [1] 龔耀寰.自適應(yīng)濾波——時域自適應(yīng)濾波和智能天線[M].北京:電子工業(yè)出版社,,2003.

  [2] Sun Jiawen,, Chen Wenhua, Wang Xin,, et al. Realization and measurement of planar switchable antenna system[C]. Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference,,2006:3375-3380.

  [3] MIGLIORE M D, PINCHERA D, SCHETTINO F. A simple and robust adaptive parasitic antenna[J]. IEEE Trans. Antennas Propag.,, 2005,, 53(10):3262-3272.

  [4] 白居憲.低噪聲頻率合成[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1994.

  [5] 張厥盛,,鄭繼禹,,萬心平.鎖相技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001.


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