一种星载多功能可重构终端设计

范占春,董世林,鲁 帆,智国平,马 超,韩运忠

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

0 引言

随着航天技术的发展和用户需求的更新，对卫星的多功能多任务的要求越来越高[1-3]。为满足上述需求，单个卫星往往配备多个天线和收发信机来实现特定功能，这种方式系统构架复杂，体积大，给卫星应用带来了诸多不便。星载多功能可重构终端可以有效解决上述问题，它可以根据任务需求对系统功能进行在轨重构，单台设备完成多种任务。

目前，星载可重构终端研究主要集中在星载天线的重构[4-6]。(ASYRIO,antenna system reconfiguration in orbit)是ESA资助的一个研发项目[7]，该反射面天线可以通过调整馈电网络实现对天线方向图的重构，单个天线集成了两个天线的功能。Astrium公司制造了Inmarsat-4卫星多波束反射面天线[8]，可以根据用户需求，实现对通信带宽和信号功率的重构。上海微小卫星工程中心研制了一套可重构相控阵天线[9]，通过对上注天线阵面部分关键参数的实现了天线指向的重构功能，但系统未设计通信体制等重构功能。

本文给出了一种星载多功能可重构终端设计方案，将天线、射频和收发信机集成设计为一个终端，实现了天线极化、方向图、通信调制等在轨重构，大大降低了系统复杂性并提高了系统多任务能力。

以下章节的内容为：第2节介绍了星载多功能可重构终端的系统方案和设计思路；第3节介绍了终端设计和实现情况；第4节对在轨重构实验验证情况进行了描述，给出实验结果。最后一节对本文内容进行了总结，并给出了一些结论。

1 系统方案和架构

星载多功能可重构终端基于数字相控阵架构[10-14]，但本方案与常规的数字相控阵主要有三点不同：

1)设计采用了可重构天线单元，可以根据任务需求在轨进行极化重构；

2)数字基带采用双FPGA设计，实现了数字基带在轨动态重构功能；

3)对射频系统进行了优化，将部分天线功能集成至射频前端电路中。

星载多功能可重构终端系统框架如图1所示，整个系统由天线阵列，多通道射频收发前端和数字收发信息处理单元构成。

图1 星载多功能可重构终端系统框图

天线阵列由多个收发共用的可重构天线单元构成。每个天线双点馈电，采用VM矢量调制器，调整两个馈电间的幅度相位，进而实现天线极化的调整。

多通道射频收发前端包括多个射频收发通道，主要实现中频信号与射频信号间的变频功能。每个通道包含1个收通道和1个发通道，通过环行器实现收发通道的隔离。

数字收发信息处理单元主要包括AD模块、DA模块，信息处理模块，其中信息处理模块是多功能可重构终端的核心，通过信息处理模块的在轨重构，可实现整个终端的重构。

本文所述的数字收发信息处理单元提供两种灵活的重构模式。一种为参数重设模式，根据综合电子指令调整系统中部分关键参数，从而实现终端功能的重构。这种方式星地通信数据量小，可靠性高，但是仅能实现终端部分功能重构，终端实现天线极化、方向图重构主要采用这种方式。另一种为软件在轨重加载模式，通过综合电子向数字收发处理单元中上注新的软件，实现星载终端的功能升级。这种方式缺点是需要大量的传输数据，对星地通信稳定性要求高，优点是可以实现整个终端的功能重构。

2 设计与实现

为验证上述方案，本文设计研制一个多功能可重构通信终端，终端工作在C频段，射频带宽50 MHz，包括8个天线单元和8个射频收发通道，数字收发信息处理单元包括8路AD、8路DA和2片FPGA，中频工作频率150 MHz。为优化系统设计，在实际产品实现中可重构天线单元中VM调制器、功分器等电控部分集成至射频前端中，通过多芯片组件技术(MCM)实现，这种方式可以降低设备间接口复杂程度，使得系统集成度更高。

2.1 天线阵面设计

为了展宽天线的工作带宽，本文的天线单元采用了辐射贴片、空气腔和馈电贴片的微带天线结构形式，空气腔使得天线的工作带宽得到了有效展宽。辐射单元介质基板选用介电常数为2.94的ROGERS6002，介质厚度为1.524 mm，馈电部分采用同轴馈电形式，上层为辐射贴片，下层为馈电贴片，中间为空气腔，使得天线的工作带宽得到了有效展宽。天线单元包含两个馈电点，馈电1工作时天线形成水平极化，馈电2工作时天线形成垂直极化。

HFSS仿真结果表明，天线两个线极化方向图增益均优于5 dB，8个天线单元组阵后，天线增益优于14 dB。图2为天线单元驻波实测结果，实测结果表明，天线在3.3～3.4 GHz带宽内，驻波优于1.5。

图2 单元天线测试结果

2.2 多通道射频收发前端设计

射频收发模块主要包括射频收发通道和本振模块。射频收发通道包括8路收发通道，每个收发通道同时集成了对应天线单元的极化重构电路。

射频前端天线极化重构电路如下所示，天线极化重构前端利用Lange耦合桥替代了两路VM调制器，通过射频开关选择Lange耦合器的输入端，可以控制两个输出端口的幅度相位，进而控制天线工作于左旋圆极化或右旋圆极化。这种方式虽然损失了天线单元线极化重构能力，但是简化了系统设计，一方面，双圆极化重构已经可以满足大部分星载通信的需求，另一方面对于星载线极化通信，也可直接使用圆极化进行通信。

射频收发通道包括发通道和收通道，为提升产品星载适应性抗辐照能力，射频通道中绝大部分芯片均采用砷化镓工艺的芯片。其中Rx电路首先通过一个低噪放，压制整个接收通道的噪声并且增加系统增益；同时利用可变增益芯片，以补偿信道变化并增加中频输出的动态范围，确保了A/D转换器的最佳驱动。整个Rx电路系统增益70 dB，噪声系数优于2.4。

发射通道主要针对射频功率稳定性进行了优化。射频功率稳定性能主要受输入功率和环境温度的影响，因此在发射通道中采用了可变增益芯片和温补衰减器。可变增益芯片根据DA输出情况进行增益调整，确保末级功放输入功率稳定；温补衰减器低温时衰减量增大,高温时衰减量减小，在两级功放间串入温补衰减器，可以使通道增益维持在一个极小的范围内变化。整个发射电路系统输出功率优于23 dBm，在-20～+55 ℃内功率稳定度优于±0.5 dB。

图3 天线极化重构电路

2.3 数字收发信息处理单元设计

数字收发信息处理单元由8路AD、8路DA和2片FPGA构成。

1)中频接收电路设计:DBF中频接收电路接收中心频率150 MHz的中频模拟信号，经过带通滤波、功率调整和模数转换后，输出数字信号。A/D采用差分输入方式，利用变压器将单端信号转换为差分信号。A/D采样时钟来源于时钟管理电路，数字输出采用LVDS差分信号形式，输出至处理器电路中的FPGA。

图4 数字基带实物照片

2)中频发射电路设计:中频发射电路发射中心频率150 MHz中频模拟信号，经过数模转换、带通滤波和功率调整后，输出模拟中频信号。D/A采用差分输出，利用变压器将差分信号转换为单端信号。D/A转换时钟来源于时钟管理电路，数字输入采用LVDS差分信号形式，由处理器电路中的FPGA提供。

3)时钟管理电路设计:时钟管理电路负责各个模块所使用的时钟的产生。时钟管理模块产生的所有时钟均相参，由本地的TCXO产生，时钟都是由参考时钟锁相倍频产生。TCXO提供10 MHz参考时钟信号。

4)处理器电路设计:信号处理模块的处理器电路采用FPGA1+ FPGA2的架构，其中FPGA1完成与AD、DA通信，数字波束形成、信号调制和解调等功能，为满足功能需求，FPGA1选用了SRAM型的FPGA，具有更多的逻辑资源，可以实现复杂的信号的处理和控制逻辑；FPGA2主要负责对外接口通信和FPGA2重加载控制等功能，选用了反绒丝型的FPGA，确保系统工作流程稳定。

FPGA2连接到FPGA1的SelectMap接口上，同时连接到数字收发信息处理模块程序存储芯片上控制FPGA1的加载内容。正常上电时FPGA2向FPGA1的SelectMap写入正常程序；重构时，FPGA2向FPGA1的SelectMap加载综合电子分系统上注的程序，从而实现功能动态重构。另一方面，FPGA2能够将存储程序中的内容和FPGA1中当前的配置情况进行比较，判断二者是否发生单粒子翻转，如果出现配置不正常的情况，FPGA2就会自动刷新二者出现异常的配置区，使得FPGA2能够监视单粒子翻转和栓塞的发生，并自动恢复。

5)电源管理电路设计:电源管理电路将外部输入电源转换为电路所需的各路电源。外部输入+5 V电源，电路所需电源分为模拟电源和数字电源。中频接收电路、中频发射电路和时钟管理电路使用模拟电源，信号处理电路使用数字电源。考虑到降低功率损耗，首先由外部输入的+5 V电源经过开关电源产生+4 VA和+2.5 VA两路电源，再由+4 VA和+2.5 VA电源通过线性电源组LDOs产生各部分电路的电源，中频接收电路、中频发射电路和时钟管理电路采用独立的LDOs。

2.4 重构流程设计

可重构终端的重构模式有两种，模式一为参数重构模式，地面可通过遥控指令，实现终端极化方式等功能的重构；模式二为软件在轨重加载，可通过在轨上注的方式更新基带软件，可实现整个终端的功能重构。模式一的重构实现较成熟，现主要介绍模式二的重构流程，其实现流程如图5所示。

图5 重构流程图

1)空闲状态：可重构终端在上电后，如未收到地面的重构请求指令，则保持在空闲状态。

2)接收地面上注数据：收到重构请求指令后，可重构终端进入接收地面上注数据的状态。

3)当上注数据未能全部正确接收，或者等待计时器已满，则重新进入空闲状态，并通过下行遥测告知地面站此时终端的状态；如果上注数据全部正确接收，则进入编程状态，并通过下行遥测返回终端状态。

4)在编程状态下，终端将新上注的程序写入重构区。

5)如果编程失败，则终端返回空闲状态并通过遥测反馈状态；如果编程成功，则通过遥测反馈状态，并等待地面站的重构指令。

6)如果在等待时间内未收到地面站的重构指令，则放弃此次重构，重新进入空闲状态，并遥测反馈；如果收到地面站的重构指令，则改写软件启动地址，进行软件重加载，并遥测反馈。

7)在软件重加载后，终端再次进入空闲状态等待指令。

2.5 结构热控设计

多功能可重构终端采用了瓦片式分层架构，以实现星载产品的低剖面。终端从上到下分为天线层、射频层、射频热控层、数字基带层、数字基带热控层和结构框架。其中天线层与射频层间的射频信号采用了SMP进行连接；射频层与数字基带层中频信号采用了SMP穿过射频热控层进行了垂直互联。

为保证终端热设计，射频通道中大热耗器件均通过金属过孔灌注金属浆料的方式将热量传输至射频通道底部；射频通道底部通过导热硅脂与射频热控层向连。数字基带大热耗器件采用芯片顶部加装散热片的方式，将热量传递至数字基带模块壳体，数字基带模块壳体底部通过导热硅脂与数字基带热控层相连。最终将所有热量均传递至设备壳体，统一进行热控处理。

3 测试结果及分析

为验证星载多功能可重构相控阵天线设计正确性，搭建地面原理验证系统如图6所示。采用计算机模拟地面站和星载综合电子系统，地面站模拟计算机安装于测试间，星载综合电子系统模拟计算机安装于微波暗室，通过网线相连。星载综合电子系统采用422接口向多功能可重构相控阵天线发出控制指令，控制天线进行各种功能重构。为满足星载相控阵天线幅相一致性要求，采用虚拟REV方法对终端进行了校正[15-17]。

图6 重构实验

3.1 极化重构验证测试

利用参数重构模式实现终端的极化重构，并在微波暗室进行了天线方向图和极化测试。测试结果如表1所示。

表1 极化重构测试结果

极化重构前天线工作为左旋圆极化，极化重构后天线工作为右旋圆极化。由表1可知，终端具备左右旋极化重构功能，可以在轨实时重构。

3.2 方向图重构验证测试

方向图重构测试结果如图7所示，由图可知，天线初始状态为传统宽波束模式，天线覆盖±60°，增益优于0.3 dB，经重构后天线进入高增益状态，天线峰值增益13.9 dB。测试结果表明，可重构天线可以实现天线方向图重构功能。终端工作在宽波束模式时，可以应用于星载测控模式，支持8 kbps的通信速率；终端工作在窄波束模式时，可以应用于话音、图像等数据传输模式，支持2 Mbps的通信速率。随着可重构天线阵面的扩展，可以支持通信速率可以更高。

图7 宽窄波束重构方向图

3.3 动态功率分配重构验证测试

功率分配重构是星载通信终端的重要技术之一，该技术根据实际的通信需求来合理的调整空间功率分布，使得卫星运行更具有经济性。功率分配重构实验结果如图8所示。

目标1通信区域为+20°方向，目标 2通信区域为-60°。由图8可以看出重构后目标1区域功率下降3.4 dB，目标2区域功率上升2.8 dB，通信终端具备根据通信速率等需求动态分配发射功率的能力。

图8 通信天线动态功率重构测试结果

3.4 通信体制重构验证测试

通信体制重构需对整个FPGA1的程序进行更新，试验中将地面站模拟器将新程序传输至综合电子模拟器，综合电子模拟器通过RS422总线向可重构终端传输新程序。

FPGA2收到新程序后对其进行校验，存储。程序传输结束后，FPGA2将新程序数据加载至FPGA1实现程序的更新。整个更新过程中传输数据采取非常严格的校验和纠错措施，若出错则需要进行数据重传确保新程序的正确性。为验证波形重构功能，我们在暗室接收天线端设计了解调设备，解调后数据波形如图9所示，测试结果表明：重构前，终端通信体制为BPSK，通信速率为8 kbps；重构后，终端通信体制为QPSK，通信速率64 kbps。

图9 重构前后解调后数据

3.5 系统多功能验证测试

上述分析可以看出，终端已实现了BPSK和QPSK通信功能，可以满足卫星测控、通信等需求，本小节重点对终端DOA功能进行测试验证。DOA可以根据接收信号计算信号来波方向，一方面可以用来跟踪移动通信目标，实现星间自主跟踪通信；另一方面，可以用于电子侦察领域，定位干扰目标方向。为满足星载定位的实时性，减少卫星运动对定位精度的影响，DOA采用了多波束比幅测向的方式[18-20]，测向结果如图10所示。经过实测结果分析发现，终端在±30°范围内，测向精度优于0.2°(标准差)，在更大范围内，测向精度变差，达到了1.2°。这是因为随着扫描角度增大，算法中所用的理想方向图与实际方向图差别越大，后续可以通过方向图修正的方式，提升测向精度。

图10 DOA测试结果(信号源功率-5 dBm)

综合上述分析，星载多功能可重构终端可以同时实现了通信和电子侦察多种功能。

4 结束语

本文给出了一种星载多功能可重构终端的设计方案并进行了实验验证。该终端以数字可重构天线为基础，综合采用了数字处理器动态重构、智能优化、空间谱估计等先进技术，设计并实现了一种星载多功能可重构终端。实现了单付天线通过重构技术兼具测控、通信、侦察3种天线的功能。同时，还可实现在轨后的终端功能重构，为星载多功能可重构终端提供了一种有效的解决方案，具有架构简单，系统灵活，可扩展性强等特点。

多功能可重构终端测控模式具备在轨宽窄波束重构能力，能够支持卫星低速保底测控和高速应急测控两种测控需求。通信模式具备在轨动态功率重构能力，能够支持卫星对降雨、通信业务量大等重点区域的局部动态增强功能，针对不同应用场景配置不同天线工作模式，可以有效提升卫星资源利用合理性和通信链路可靠性。在结构设计上，本方案采用了瓦片式结构，综合考虑DBF相控阵各模块互联和散热需求，利用SMP、微型接插件等小型化垂直互联方式，设计了一种适用于DBF相控阵的瓦片式分层架构，实现了星载多功能可重构天线的低剖面和高集成度设计。在系统架构设计上，通过软硬件资源合理优化，将侦察天线、射频通道与侦察载荷在多功能可重构终端中一体化集成，实现了天线、射频通道、有效载荷的一体化，为星载天线和载荷一体化设计提供了一种技术途径。

本方案在设计的基础上进行了原理样机的实现，通过实测验证，证明了产品设计的正确性，后续我们将围绕可重构终端的宽带化和星载雷达应用开展下一步工作。