星载数字相控阵航天环境适应性设计

星载数字相控阵航天环境适应性设计
发布时间：2022-05-13T03:19:29.967Z 来源：《福光技术》2022年10期作者：李景峰孙远涛[导读] 相控阵通过电子控制阵列中各单元的幅相权值，实现波束的方向、形状、功率分配等参数的无惯性改变，具有捷变、灵活、可靠性高等优势，在通信卫星天线中的应用占比逐渐扩大。

中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽合肥 230088
摘要：本文针对新体制、新技术、新器件的星载数字多波束相控阵，开展了包括力、热、辐照、电磁兼容等方面的航天环境适应性设计，使其在寿命期内预计遇到的各种环境的作用下，能实现所有预定功能和性能。

关键词：航天、数字相控阵、环境适应性设计中图分类号: TN927.2 文献标志码: A 文章编号:
Environmental Worthiness Design of Satellite-borne Digital Phased Array Li Jingfeng, SunYuantao
（The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)）Abstract: Aiming at the satellite-borne digital phased array with new structure, new technology and new decives, this paper carries out the environmental worthiness design, including mechanical design, thermal design, radiation-tolerant design and electromagnetic compatibility design.
Keywords:Aerospace Product; Digital Phased Array; Environmental Worthiness Design
0 引言
相控阵通过电子控制阵列中各单元的幅相权值，实现波束的方向、形状、功率分配等参数的无惯性改变，具有捷变、灵活、可靠性高等优势，在通信卫星天线中的应用占比逐渐扩大。

数字相控阵具有灵活、精确、可重构等优点[1] [2]，成为星载有源相控阵的发展趋势。

图1 星载数字多波束相控阵样机
如图1所示，本文中设计的星载数字多波束相控阵采用数字阵列、收发共口径、片式集成、机电热一体化体制，并且大规模使用数字收发器件和器件。

这些新体制、新技术、新器件的航天环境适应性必须进行深入的研究和设计[3] [4]。

本文针对上述数字相控阵开展了力学设计、热设计、抗辐照设计和电磁兼容设计，使其在寿命期内具有良好的空间环境适应性。

1力学设计
星载数字多波束天线考虑面向星载设计，不仅要承受运载发射时恶劣的力学环境，而且还要求具有轻重量的特点，所以在围框等结构件设计上，采用了轻质、高强度、高模量的碳纤维材料，保证了天线在发射时的抗力学环境要求。

数字多波束天线综合考虑航天的热控和力学环境因素，力热集成。

对有源安装板进行设计，即将热管按照设计要求预埋进铝蜂窝内，即保证了天线整体的刚度，降低了系统重量，又起到了组件的散热和温度一致性要求。

图2 星载数字多波束相控阵力学仿真
2热设计
星载数字多波束天线热控设计是有源相控阵系统，必须采用热控措施合理组织系统与空间环境之间、系统内部设备之间的热交换控制系统内设备的温度水平和温度分布。

星载数字多波束天线热设计主要方案是纵向传导、横向均温、直接辐射、平台辐射。

星载数字多波束天线热设计方案如图3所示。

图3 星载数字多波束天线热设计
3抗辐照设计
星载数字多波束天线系统为电子产品，含有半导体电子元器件、数字电路、逻辑电路、体硅CMOS工艺器件。

上述器件受到高能带电粒子的长期照射，引发特殊的空间辐射效应，主要表现为两个方面：一是电离总剂量效应，二是单粒子效应。

针对空间环境辐射总剂量要求，主要采取以下措施：选用对辐照总剂量不敏感的器件；选用抗辐照总剂量较高的器件；设计器件屏蔽结构以降低到达敏感器件的辐射总剂量。

星载数字多波束天线抗闩锁设计采取了如下措施：选用对锁定不敏感的器件；选用抗单粒子锁定阈值较高的器件；器件电源输入端限流设计，避免在器件锁定时损坏
星载数字多波束天线抗单粒子翻转主要措施归纳如下：选用对单粒子翻转不敏感的器件；选用抗单粒子翻转阈值较高的器件；对SRAM型FPGA和数字收发芯片的配置逻辑进行刷新；外部存储设备采用具备纠检错功能的冗余存储方式；程序设计时对重要的参数和变量进行冗余存储。

4电磁兼容设计
星载数字多波束天线电磁兼容设计的最为关键点是高度收发隔离设计，主要原因是星载数字多波束天线收发同时工作，且收发共口径设计。

实现星载数字多波束天线高度收发隔离的要点在于：
1)对发射频带的信号串扰的抑制
星载数字多波束天线系统对发射频带的信号串扰的抑制需要满足两点要求：发射信号串扰不能使接收链路饱和造成阻塞式干扰；发射信号不能由AD采样镜像落入接收带内，造成信噪比下降。

2)对发射高阶互调的抑制
如下图所示，星载数字多波束天线由于发射链路的非线性，特别是发射组件末级功放芯片的非线性，将会产生互调产物。

经过计算和分析，发射信号的5阶以上互调将会落入接收带内，且信号强度远大于接收前段信号/噪底功率，必须针对发射高阶互调进行抑制。

3)对无源互调抑制设计互调的抑制
本系统采用收发共口径体制，由于无源射频部件的非线性，落入接收频带的无源互调产物可能进入接收系统，形成干扰噪声，直接影响系统正常工作，严重时可能导致系统失效。

本系将滤波器集成设计，收发通道在连接天线之前各自物理独立，隔离较高，不会互相产生影响。

5结束语
星载数字多波束相控阵采用了新体制、新技术、新器件，在满足定标性能需求的同时，还需具备良好的空间环境适应性。

本文针对上述数字多波束相控阵开展了包括力、热、辐照、电磁兼容等方面的航天环境适应性设计，使其在寿命期内预计遇到的各种环境的作用下，能实现所有预定功能和性能。

参考文献：
[1]周乐柱,李斗,郭文嘉.卫星通信多波束天线综述.[J].电子学报,2001,29( 6) :824～828．
[2]阎鲁滨.星载相控阵天线的技术现状及发展趋势.[J].航天器工程.2012 (03).
[3]赵保平,张韬,孙建亮,庞勇.航天复杂产品研发中的环境适应性设计.[J].强度与环境. 2013 (05)
[4]黄本诚,马有礼.航天器空间环境试验技术[M].北京:电子工业出版社,2008.。