小卫星SAR的天线、数据存储与下行链路 留言

下面是之前这篇《100kg级小卫星的X波段SAR系统》的后半部分，该系统SAR性能指标为单极化SAR，轨道高度350 km时地面分辨率为1m，轨道高度600km时地面分辨率为3m。假设有一颗卫星质量为130kg，在火箭上的尺寸为0.7m x 0.8m x 0.9m。

天线展开时尺寸为4.9mx0.7m，1个线性调频发射信号经过波导谐振腔中6组GaN HEMT 200W放大器模块放大。该天线系统体积小，是一种可展开的平面天线。研制了一种新型的平行板槽阵列天线，并进行了紧缩场试验，近场测试了一个2.8m x 0.7m尺寸的天线翼。测量的峰值孔径效率大于50%。

在轨SAR系统需要一个几米长的天线，对于小型运载火箭，火箭中卫星的装载尺寸应小于0.7×0.7×0.7。最可行的备选方案之一是，采用隙缝天线阵列的无源可展开的蜂窝面板天线。该天线结构与平面蜂窝结构兼容，孔径效率较高。

下图显示了天线面板的结构。它的尺寸大约是70cm×70cm×0.6cm。波导嵌在背面的中心，通过耦合隙缝天线将射频馈电到天线面板。

天线面板由一个电介质蜂窝芯和金属外壳组成，用于射频的平行板指示工作。正面有辐射隙缝天线的二维阵列，作为垂直极化SAR模式的天线辐射器。为了达到1m的地面分辨率，天线带宽应该在300MHz左右。这种天线是行波阵天线。因此，阵列的长度应该小于30cm。

为了使天线测量更加简单，TX和RX仪器都安装在卫星里面。因此，射频应从卫星馈电到每个等电长度的面板。上图为天线翼波导馈电网络。0号面板位于卫星内部，另一翼是对称结构。下图为3号天线板(70cm×70cm)的工程模型照片。

下一个问题是将射频输入到可展开铰链处的每个天线面板。可展开天线有几种传统的射频馈电方式，比如柔性电缆、柔性波导和旋转接头。不过，缺点是射频损耗大、阻力矩大、结构复杂。

针对这个问题，我们采用波导扼流法兰，实现通过非接触式波导法兰进行射频馈电。扼流法兰已广泛应用，可以避免因法兰表面的加工缺陷或氧化，导致通过波导法兰时产生电流传导劣化现象。宽的波导壁中沟的深度和距离大约是波长λ的四分之一。沟作为四分之一波长谐振短路传输线。虽然主波导有缝隙，但在缝隙处，壁电流流动平稳，阻抗较低。

每个天线面板有一个馈线波导，面板通过展开铰链连接。展开后，一个扼流法兰和一个封头法兰面对面。尽管两个波导法兰之间存在物理间隙，通过扼流连接可以最大限度地降低射频损耗。

我们测量了扼流法兰的作用。对于一种新研发的扼流法兰，射频损耗在所有工作频段都低于0.05dB，数值可能存在误差。需要注意的是，间隙处的反射小于-25dB。

我们正在研发一种天线翼的电气模型、结构模型和工程模型，该翼由四个尺寸为2.8m×0.7m的面板组成。上图为日本京都大学A-Metlab设备的近场射频测量和工程模型照相测量的照片。下图显示了几种面板配置的天线方向性，如单面板(3号)、双面板(2+3号)、三面板(1+2+3号)和四面板(0+1+2+3号)。

在中心频率9.65GHz处的峰值数值分别为：单板36.7dBi，双板39.6dBi，三板41.6dBi，四板42.4dBi。这些数值几乎与面板的分贝数成正比，说明天线面板实现了有效的同相激励，天线阵列可按设计工作。

上图是卫星上安装的天线翼的结构模型振动试验照片。我们还对一种安装气浮系统的天线翼模型进行了展开测试。展开后的表面形状通过照相测量测量，以确定天线表面精度。下图是展开试验的照片。充填式展开结构为“回绕”类型，其优点是铰链机械部件不会从辐射面突出。

近年来，人们利用GaN HEMT器件，研发了先进的固态放大器。这种放大器可以取代传统、笨重的行波电子管放大器(需要高压电源)。目前，我们的系统采用了内匹配的200w脉冲放大器封装。占空比对SAR性能也很重要。

常规SAR卫星采用的占空比一般为10%。我们的GaN放大器模块采用高达25%的占空比，注重散热设计。每个放大器模块的末端放大级由两个并联的200w级功率器件组成，每个器件放大100w级功率，占功率输出的一半。

在这种情况下，器件结温低于150 C，器件封装温度低于90 C，满足器件可靠性条件。在微带电路中合成两个100w输出，可以实现200w输出。接着，波导谐振合成器合成6个放大器模块的输出，可以得到1000w的峰值输出。

功率放大器模块和功率合成器，直接集成在质量为5kg的铝合金卫星面板上。以1000w射频输出工作时，占空比为25%，放大器系统会产生1100w的热量。热量储存在铝合金面板上，5分钟SAR操作后面板温度升高50°。接着，在大约50分钟内，储存的热量从面板的散热器表面辐射到深空。我们在热真空试验中验证了这种散热设计。

一个SAR电子装置(S-ELU)负责SAR传感器的发射信号生成、接收信号处理(频率转换和模数转换)。小型卫星的SAR电子装置是在机载SAR仪器仪表的基础上研发的。线性调频带宽为300MHz，地面分辨率为1m。接收信号转换为8位×720M采样率的数字信号。

数据压缩率约为50%。采用合适的信噪比时，接收占空比约为50%。平均数据速率为1.5Gbit/sec。在SAR观测模式下，该1.5Gbit/sec SAR数据通过串行RapidIO(sRIO)接口传输到任务数据记录仪(MDR)。

任务数据记录仪由商用的16个NAND闪存设备组成，内存总量为768Gbyte。NAND装置的总剂量耐受性，通过Co60照射试验确定。单事件误差通过商用NAND设备的标准误差校正代码进行校正。

Xilinx公司的UltraScale FPGA(现场可编程门阵列)器件，可以实现高速数据流和标准强纠错码。专门研究了BGA(Ball Brid阵列)封装的散热路径和热应力。

在下行链路通信模式下，存储的数据被传输到高数据率X波段发射机(XTX)。X波段发射机具有双极化(RHCP/LHCP)通道，可以提高下行链路能力。存储的数据被切换到2个通道，通过Xilinx 公司的Aurora数据接口传输到X波段发射机。任务数据记录仪和X波段发射机之间的数据率为每个通道2Gbit/sec，总数据率为4Gbit/sec。

观测数据通过高速X波段链路传输到地面站。2014年，我们已经用Hodoyoshi 4卫星验证了64 APSK、100Msps的高速下行链路。基于该技术，我们正研发2-3Gbit/sec性能的双极化通道X波段链路。用于地球观测的无线电频率为8025-8400MHz(375MHz带宽)。

不过，下一个频段8400-8450MHz是深空下行链路频段，应保护其不受干扰。我们采用的300Msymbol/s的64APSK调制符合频率保护规定。我们将DVB-S2X标准应用于该高速下行链路。

传输信号的数字处理包括DVB-S2X标准格式、I-Q测绘、路由奈奎斯特滤波等，通过Xilinx公司的UltraScale FPGA实现。采用商用高性能数模转换器，可以生成1.2 GHz中频信号。也特别关注了BGA(Ball Brid阵列)封装的散热路径和热应力。

该中频信号被上变频到X波段，射频段被放大到1w。末端功率放大器的非线性(特别是三阶互调)，是射频段的关键问题。上图为64APSK、DVBS-2X、1.45Gbps频段的解调星座图。矢量误差大小约为-27dB rms。

为了确保双偏振信道链路的安全，交叉偏振鉴别率(XPD)因子是通信链路系统避免双偏振信道间干扰的重要因素。大气传播的交叉偏振鉴别率、机载和地面天线的交叉偏振鉴别率是主要因素。因此，我们研发了波纹喇叭天线和隔板偏振器。天线增益为17dBi，交叉偏振鉴别率大于33dB。

目前，正在研发一种直径10m的地面接收天线。天线增益为56.5dBi，系统噪声温度为55K(极值)，交叉偏振鉴别率>35dB。地面站接收到的射频信号经过频率下行转换，存储在双通道、高速和大容量的数据记录仪中。

 

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）