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(yán)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yán)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(jìn)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(jìn)行估計，采用空時濾波技術(shù)對干擾信號進(jìn)行消除。空時信號濾波技術(shù)主要利用接收到的多路信號的幅相信息進(jìn)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。
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(jìn)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(jìn)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。
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(dá)到最佳的濾波效果，陣列天線的不同通道之間必須保持嚴(yán)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。
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(jìn)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。
2 試驗測試
通過仿真計算對天線陣列進(jìn)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(jìn)行了集成，對關(guān)鍵位置采用了鍍銀屏蔽罩進(jìn)行屏蔽，模塊實物圖如圖7所示。
對頻率合成器的指標(biāo)進(jìn)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。
3 系統(tǒng)測試
對天線射頻一體化模塊進(jìn)行了測試，將測試結(jié)果進(jìn)行了半實物的仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。
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(jìn)行了詳細(xì)論述，并制作了相應(yīng)的天線、射頻模塊，并對制作的模塊進(jìn)行了測試，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行了半實物仿真，對系統(tǒng)的性能進(jìn)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(xiàn)
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