摘 要： 当今通信设备飞速发展，但由于频谱资源的限制，通信设备之间的互扰问题越来越严重。为了解决这一日益突出的问题，对阵列信号处理技术进行了研究。阵列信号处理技术是利用多个天线采用空时滤波的手段消除干扰信号。本文研究了针对阵列信号处理技术的一体化模块的设计，根据阵列信号处理的需求完成了天线和射频部分的制作，并进行了测试。天线单元实现轴比3 dB的仰角范围是±60°，轴比6 dB的仰角范围为±77°；3 dB轴比带宽为20 MHz，6 dB轴比带宽在40 MHz以上。射频单元采用多通道一体化设计，经测试该模块幅度误差<1 dB，相位误差<2°。并对此模块进行了半实物仿真，其滤波效果优于60 dBc。
关键词： 阵列信号处理；轴比；幅度误差；相位误差
0 引言
在通信设备飞速发展的今天，通信设备在更加复杂的电磁环境中工作，它们之间的干扰也越发的严重。通信设备的抗干扰技术成为关键技术之一。
通信设备的抗干扰体制分为扩谱通信抗干扰技术和非扩谱通信抗干扰技术。这两种通信技术在现今通信系统中均普遍存在，因此需要一种可以适应两种体制的抗干扰方法。阵列信号处理技术在不需要获得干扰和信号方位信息的条件下采用自适应滤波技术实现抑制干扰，是一种十分有效的手段。本文对阵列信号处理技术中的天线和射频模块的设计技术进行了研究。
1 原理与设计
阵列信号处理技术是一种采用多天线自适应调零的技术。利用不同位置的天线对干扰信号进行估计，采用空时滤波技术对干扰信号进行消除。空时信号滤波技术主要利用接收到的多路信号的幅相信息进行估计，因此对无线信道的各个通道的信号幅相特性提出了较高的要求[1]。
1.1 天线设计
根据需求，所采用的天线为天线阵列，在天线设计时需要充分考虑天线单元之间的互耦问题[2-3]。天线阵列结构示意图如图1所示。
此天线阵列共有7个天线单元，其中中间的天线单元为发射天线，周围6个为接收天线。根据此布局对天线特性进行了仿真。天线的介质板是Taconic生产的TRF-43介质板，厚度为64 mil，即1.63 mm，介电常数为4.3，覆铜厚度为1 oz/ft2。同轴连接器为50 Ω SMA连接器，直径为200 mm，辐射贴片边长为28 mm，接地板边长为40 mm，馈电点的位置距离相应接地板中心6 mm，切角大小为3.0 mm和3.1 mm，周围天线单元距离中心天线单元的尺寸为半波长。
1.2 射频多通道模块设计
射频多通道模块包括六路接收、一路发射和基带数字处理的多功能模块。根据指标需求，要求接收通道的幅度误差＜1 dB，相位误差＜2°。发射通道的发射功率为20 dBm。
射频多通道模块的发射通道采用直接上变频形式对基带信号进行上变频。由FPGA输出的I、Q信号通过D/A输出送入正交上变频器，正交上变频器直接把信号变频至所需要的射频频率上，通过SMA接口送到发射天线。发射通道的原理框图如图2所示。
射频接收通道采用超外差接收机架构，射频通道与基带处理部分为70 MHz标准中频接口。六路接收通道的AGC控制电平由FPGA采用统一电平控制。单一接收通道的原理框图如图3所示。要想达到最佳的滤波效果，阵列天线的不同通道之间必须保持严格的一致性。六路接收通道为相干通道，六路采用同一的本振信号，以保证六路之间的相位特性一致。同时设计过程中加入了多个幅相调节网络，射频幅相调节网络的设计是电路设计的难点和重点，需要在保证各个通道幅相调节网络一致性的同时，保证在单独调谐幅度或相位的过程中不会导致另一个不希望变化的变量发生变化。
多通道射频模块关键组件为相干本振组件，根据整机的指标分解，要求本振的相噪指标为：-70 dBc@100 Hz，-80 dBc@1 kHz，-90 dBc@10 kHz。相干本振源采用PE3336作为主要芯片进行电路设计。参考源的选择主要基于电路设计的指标要求，由于环路滤波器的作用，参考源会影响到频率综合器的近端的相位噪声，在本设计中选用温补晶振，温补晶振具有输出频率不随温度变化的特点，在环境温度变化的情况下参考源的性能基本不变，可以满足不同环境条件下的使用要求[4]。环路滤波器是PLL频率合成器的重要部件，其设计直接影响到锁相环路的相位噪声、锁定时间、环路稳定性。根据芯片的鉴相器的形式，这里选择有源比例积分滤波器作为环路滤波器。根据锁相环路的基本理论[5]可知，二阶环是绝对稳定的，所以采用二阶有源比例积分滤波器，滤波器的电路图如图4所示。
2 试验测试
通过仿真计算对天线阵列进行了实际的制作，如图5所示。天线的方向图和驻波图的仿真结果如图6所示。
射频多通道模块的设计中，采用一块多层印制板对6个接收通道和1个发射通道，以及相干本振进行了集成，对关键位置采用了镀银屏蔽罩进行屏蔽，模块实物图如图7所示。
对频率合成器的指标进行了测试。本振的相位噪声的实测值为-61 dBc@100 Hz， -80 dBc@1 kHz，-85 dBc@10 kHz，实测结果与估算值相当，如图8所示。
3 系统测试
对天线射频一体化模块进行了测试，将测试结果进行了半实物的仿真，仿真结果如图9所示。
干扰信号分别从方位角和俯仰角为（40°，-50°）、（50°，40°）、（130°，-60°）、（140°，50°）入射，从图9可以看出陷波效果优于60 dBc。
4 结论
本文对阵列信号处理中的天线射频模块的一体化设计进行了详细论述，并制作了相应的天线、射频模块，并对制作的模块进行了测试，根据测试结果进行了半实物仿真，对系统的性能进行了验证，在无其他辅助手段的情况下，天线阵列的滤波效果优于60 dBc。
参考文献
[1] 龚耀寰.自适应滤波——时域自适应滤波和智能天线[M].北京：电子工业出版社，2003.
[2] Sun Jiawen， Chen Wenhua， Wang Xin， et al. Realization and measurement of planar switchable antenna system[C]. Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference，2006：3375-3380.
[3] MIGLIORE M D， PINCHERA D， SCHETTINO F. A simple and robust adaptive parasitic antenna[J]. IEEE Trans. Antennas Propag.， 2005， 53（10）：3262-3272.
[4] 白居宪.低噪声频率合成[M].西安：西安交通大学出版社，1994.
[5] 张厥盛，郑继禹，万心平.锁相技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.