本文的射频通信系统基于Ku频段，综合运用了多通道MIMO技术、智能扫描阵列天线、OFDM波束形成、超高速跳频、低相位噪声和低杂散频率合成等先进技术。可用于中继节点实现超高速数据传输、组网和中继，具有良好的抗干扰能力，可广泛应用于各种通信领域。
介绍
在当今信息爆炸的时代，媒体承载的信息量越来越大，尤其是高清多媒体文章流，对信息传输的实时性要求越来越高。这些需求促进了信息传输速率的逐渐提高。现阶段，无线通信技术蓬勃发展，LTE、5G技术接踵而至。从香农理论中，我们知道无线通信的速率与信道带宽有关。带宽越宽，速率越高，容量越大。在VHF、UHF、L、S等较低频段，频谱资源拥挤，可用带宽有限。因此，向更高的频段发展以获得更宽的信道带宽是未来通信系统发展的必然趋势。
1、系统方案设计
本文提出的Ku波段高速宽带射频通信系统采用波束形成技术，用四个90度分布的阵列天线覆盖整个360范围。每个阵列天线由四个阵元组成，分别连接四个TR组件，经过幅度和相位加权后汇聚到同一个变频通道，形成一个4*4的射频MIMO系统。公共资源和上层管理都集中在中央单位，方便互联互通。在车载结构中，中央单元通过连接器与所有TR组件连接，这些组件由信令交互控制。每个TR组件都有独立的基带处理单元，也可以将数字中频送到中央处理器集中处理(实现空间分集)。整体框图如下图1所示。
图1、系统整体框图
与传统的单收单发系统相比，该系统方案基于军事战术应用抗干扰、保密、高速、大容量、自适应的总体要求，综合考虑了Ku频段信号波长短、指向性强、传输损耗大等不利因素，采用了主流的OFDM调制技术，使系统抗干扰能力更强，可以获得更高的频谱利用率。采用MIMO和智能天线技术，合理利用波束分集和天线空间复用的性能，使系统尽可能支持多用户、多方向、自适应的大容量数据传输，并能有效。
抵抗信号传输过程中多径衰落对系统性能的影响。系统的初步布局如下图2所示：
图2、系统的初步布局
2、子系统方案设计
2.1天线设计
为了减小系统的整体外形，天线部分采用均匀线阵形式的微带天线，并采用阵列波束形成技术，可以实现高指向性、广覆盖和抗衰落。这种类型的天线设计通过对天线单元的激励源进行幅度/相位加权来实现多扇区扫描。此外，还可以实现干扰源的测向。如果检测到干扰，天线方向图将通过波束形成在干扰方向形成零点，以抑制干扰。天线系统的扫描示意图如下图3所示。
图3、主辅局天线阵列及扫描示意图。
2.2收发器链路设计
收发器链路包括TR组件和变频通道，可根据需求灵活定制。在微波射频前端，采用全数字移相衰减器。变频电路中采用超外差二次变频电路，混频方式为高射频低本振，降低了频率合成器的实现难度。此外，还设计了AGC控制电路和保护隔离电路
本设计中的频率合成器最终采用DDS倍频和PLL点频源混频实现跳频源的最终本振输出，而接收和发射相位校准参考源直接采用PLL跳频输出。整体频率源合成方案如图5所示。该方案的总体思路是通过功分器将晶振信号分成四路，其中一路信号作为发射和接收相位校准参考频率源的时钟，通过PLL跳频锁定，产生C波段信号，然后经过滤波和倍频输出Ku波段参考频率。另一个信号作为基带处理器的参考时钟；第三个信号作为C波段点频源的参考时钟，由PLL锁定产生C波段点频信号，然后与DDS输出的跳频信号混频产生上变频的C波段射频信号，最后通过倍频产生X波段本振信号；最后一路信号作为L波段点频源的参考时钟，经PLL锁定产生L波段点频信号，然后分成两路，一路滤波放大作为系统的第二本振，另一路作为跳频DDS的参考时钟产生VHF跳频信号。L波段跳频信号经过滤波、放大和两次倍频后，与C波段点频源混频、滤波、放大和倍频，产生X波段本振信号。在频率源实现过程中，由于涉及到很多PLL频率合成、倍频、混频和放大电路，因此抑制或避免变频过程中的杂散尤为重要，否则杂散信号的干扰会影响系统的通信质量。
图5、频率合成器原理框图
3、散热设计
通过模型仿真，在大功率连续波的情况下，如果散热性能不好，不仅会降低功放的功率输出，严重时甚至会烧毁功率器件，所以本地功放的热设计也是系统设计成败的关键。一般来说，功率放大器器件的有源区称为结或沟道，器件有源区的温度称为结温或沟道温度Tch。为了确保器件不被烧毁，其沟道温度不能超过最大允许温度Tchmax，这是由晶体管机制、管芯材料、衬底材料和其他因素决定的。功率器件本身的散热能力用热阻Rt来表征，定义为Rt=t/Q，其中t代表温差，Q为热流。Rt的单位为/W，热阻与管芯和基板材料的导热系数、厚度、截面积、加工工艺和封装形式有关。通道温度Tch可以通过热阻来计算，其计算公式为：
Tch=RtxPdiss T0
其中，Pdiss为功耗，T0为环境温度。从公式中可以看出，热阻越大，功放的散热能力越差。其实除了功放器件本身的热阻外，还有功放安装所在腔体的热阻，R1、，散热器的热阻，R2，以及各部分接触不良或材料导热系数差异造成的接触热阻。因此，完整通道温度Tch的计算公式为：
Tch=(Rt R1 R2 Rc)xPdiss T0
除了功率器件本身的热阻Rt，其他的热阻很难获得。因此，为了计算方便，将上述公式中不易得到的参数组合成最后一项，表征为相对环境温度，得到如下计算公式：
tch=RTX pdis[(R1R2 Rc)x pdis T0]=RTX pdis T ' 0
其中T'0为功放器件外壳的温度，如果器件与腔体紧密接触，则器件与腔体之间的接触电阻可以忽略，这意味着T'0代表与功放器件接触位置的腔体壁的温度。以Tch为Tchmax，通过上式可以计算出功放器件在耗散功率Pdiss条件下所能承受的最高腔壁温度。可以通过限制温度和耗散功率来模拟散热结构。理论上只要保证Tch中常用的散热方式，比如翅片散热、相变冷却、热管传热、热电制冷等等。应用最广泛的冷却方式是翅片式冷却齿，根据冷却齿的结构不同，可以分为片式冷却齿和柱式冷却齿。柱状冷却齿风道不封闭，冷却效果不如芯片冷却齿明显。因此，本系统方案采用芯片冷却齿的冷却方式。理论上，冷却齿越高，冷却效果越好。但齿本身的宽度和间距也会影响冷却效果，其冷却效果可以通过热设计软件进行模拟和优化。冷却齿由铝制成，符合系统的减重要求。系统设计的散热底座的设计结构如下图6所示，基本可以满足系统的散热要求。
图6、散热底座外部结构图
除了上述辅助散热设计策略外，功放底部加入导热硅脂和散热膏，T/R组件分布，降低了热源的集中，增强了系统的可靠性。
4、工程设计验证
根据系统设计方案，我们对天线进行了测试，频率合成器的工程测试结果与设计基本一致。典型DDS PLL的相位噪声和跳频时间测试曲线如下图7-8所示：
图7、DDS相位噪声和跳频时间测试曲线
图8、PLL相位噪声和跳频时间测试曲线
测试收发器链路的指示灯。当中频输入140MHz调制信号，调制方式为64QAM，滚降因子设置为0.3，符号速率为30Mbps时，典型传输EVM为6.09%，邻信道抑制比优于-35dBC@50MHz偏移。测试结果如图9所示：
图9、发射EVM和邻道抑制比测试结果
5、应用场景
目前，基于Ku频段的高速宽带射频通信系统主要应用于点对点、点对多点、中继和多级自组网等领域，可以大大扩展节点通信的性能和系统容量。主要的应用程序场景如下面的图10所示。
图10、应用场景示意图
结论
本文提出的Ku频段高速宽带射频通信系统设计综合运用了多通道MIMO技术、智能电扫描阵列天线、OFDM波束形成、超高速跳频、低相位噪声和低杂散频率合成等先进技术。微波平面阵列可用于中继节点的超高速数据传输、组网和中继，具有良好的抗干扰能力，可广泛应用于各种通信领域。研制的样机性能基本达到预期设计要求，实际工程验证效果良好。
