微波技術 - Ku波段射頻通信系統設計

現今,Ku波段射頻通信, 媒體承載的資訊越來越多, 尤其是高清多媒體視頻流, 這就需要越來越多的實时資訊傳輸. 這些需求推動了資訊傳輸速率的逐步提高. 現時, 無線通訊科技正在蓬勃發展, LTE和5G科技層出不窮. 根據香農定理, 無線通訊的速率與通道頻寬有關. 頻寬越寬, 速率越高，容量越大. 在較低的頻段，如VHF, 超高頻, L, 和S, 頻譜資源擁擠，可用頻寬有限. 因此, 發展更高的頻帶以獲得更寬的通道頻寬是未來通信系統發展的必然趨勢.

1、系統方案設計

這個 Ku波段射頻通信 本文提出的系統採用波束形成科技，採用分佈在90°的四平面陣列天線，覆蓋3.60°全方位. 每個天線陣由4個陣元組成, 分別與4個TR組件連接. 振幅和相位加權後, 它們被收集到同一個變頻通道中，形成4*4*4 射頻 MIMO系統. 公共資源和上層管理都集中在一個中央組織，以便於互聯. 在車型結構中, 中央單元通過用於訊號互動控制的連接器連接到TR組件, 並且每個TR組件具有獨立的基帶處理單元, which can also send the digital if to the CENTRAL processor for centralized processing (to achieve spatial diversity).

與傳統的單接收單系統相比, 該系統方案基於抗干擾和保密的軍事戰術應用, 高速, 大容量, 適應性總體需求, Ku波段訊號波長本身的綜合考慮, 方向性强, 輸電損耗大不利因素, 如OFDM調製科技的主流, 使系統具有更强的抗干擾能力, 同時, 高頻頻譜 可獲得利用率. 採用MIMO和智慧天線科技，合理利用波束分集和天線空間複用的效能，使系統能够支持多用戶, 多方向, 盡可能自我調整大容量資料傳輸, 而且可以有效. 抗多徑衰落對訊號傳輸系統效能的影響.

系統總體框圖

2、子系統方案設計

2.1天線設計

為了减小系統的整體輪廓，天線部分採用了均勻線陣微帶天線。 陣列波束形成科技可以實現高方向性、寬覆蓋和抗衰落。 這種天線設計通過對天線陣元激勵源進行幅相加權，實現多扇區掃描。 此外，還可以實現干擾源的測向。 如果檢測到干擾，則天線方向圖可以通過波束成形在干擾方向上形成零陷波以抑制干擾。

2.2收發器連結設計

可根據需要定制收發連結，包括TR組件和變頻通道, 在微波中 射頻 前端採用數位移相衰减器, 變頻電路中, 超外差二次逆變電路, 混合管道為高低頻振動, 降低頻率合成器的實現難度，减少AGC控制電路和保護隔離電路的電路設計, 頻率選擇電路執行頻率選擇, 頻率轉換, 接收訊號的線性化和放大, 最後將其提供給基帶處理器進行訊號解調.

系統初步佈置圖

2.3頻率合成器設計

通常，有3種類型的頻率合成可用：直接頻率合成（DS）、間接頻率合成（PLL）和直接數位頻率合成（DDS）。

本文通過頻率合成器的方案設計，採用DDS與PLL的倍頻點源混頻，最終實現跳頻源的一次boost輸出, 而接收和發射相位校準參攷源則直接採用了鎖相環跳頻的管道和實現方法, 全頻源合成方案, 整個方案是將四個功分器的晶體振動訊號分為四路, 使用一個訊號作為發送和接收相位校準參攷頻率源的時鐘, 通過鎖相環跳頻鎖定產生C波段訊號, 然後通過濾波和倍頻輸出Ku波段參攷頻率源. 另一訊號用作基帶處理器的基準時鐘； 第3個訊號, 作為C波段點頻源的基準時鐘, 被PLL鎖定以產生C波段點頻訊號, 然後與DDS輸出的跳頻訊號混合，產生上變頻C波段射頻訊號, 然後進行第二次倍頻，產生x波段第一次振動訊號. 最後, 一個訊號用作l波段點頻源的參攷時鐘, 由PLL鎖定以生成l波段點頻訊號. 然後, 權力分為兩種方式. 通過濾波和放大，將一路用作系統的兩個本地振盪器, 另一種管道作為跳頻DDS的基準時鐘，在VHF頻段產生跳頻訊號. 過濾後, 放大, 和雙頻, 生成l波段跳頻訊號，並混合c波段點頻源, 已篩選, 放大的, 並加倍以產生X波段第一個振動訊號. 在頻率源實現過程中, 因為它涉及許多PLL頻率合成, 倍頻, 混合, 放大, 和其他電路, 所以在雜散抑制或避免的過程中 射頻通信 轉換尤其重要, 否則, 雜散訊號的干擾會影響系統的通信質量.

天線陣及主子局掃描示意圖

現時工程上常用的散熱方法有翅片散熱、相變冷卻、熱管換熱、熱電製冷等。 最常用的散熱管道是翅片式散熱齒，根據散熱齒結構的不同可分為板式散熱齒和柱式散熱齒。 立柱式散熱器齒道不封閉，冷卻效果優於切屑冷卻齒是明顯的，囙此，在本系統中採用了切屑冷卻的冷卻管道，理論冷卻齒數越高，冷卻效果越好，但齒本身的寬度和齒間距也會對散熱效果產生影響， 其冷卻效果可以通過熱設計軟體進行類比優化（Flotherm）。 散熱齒由鋁製成，以滿足重量減輕的要求。

除上述輔助散熱設計策略外，本項目還在功率放大器底部添加了熱潤滑脂和熱膠。 同時，將各T/R組件分佈，降低熱源濃度，提高系統可靠性。

頻率合成器原理框圖

3、工程設計驗證

根據系統設計方案, 我們測試天線, 頻率合成器工程測試結果與設計相似, the typical frequency synthesizer DDS+PLL phase noise and 射頻通信 hopping time test curve

When the intermediate frequency input is 140MHz modulation signal, 調製方式為64QAM, 輥降係數設定為0.3, 符號速率為30Mbps, 典型的傳輸EVM為6.09%.

4、應用場景

現時, 高速寬帶 射頻通信 基於Ku頻段的系統主要應用於點對點領域, 點對多點, 轉發, 和多級廣告網絡, 可以大大擴展節點通信的效能和系統容量.