星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统及控制方法

专利名称：星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统及控制方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410380036.0

专利申请（专利权）人：宁夏驭星属陈航天科技有限公司
权利人地址：宁夏回族自治区中卫市沙坡头区工业园区凤云路南侧卫星测控地面站天线组阵项目办公楼、测控中心101

专利发明（设计）人：刘庆飞,夏慧宁,郭涛涛,李彦伟,程鹏,胡旭光,李春丽

专利摘要：本发明提供一种星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统及控制方法，涉及卫星数传通信技术领域，其中系统，包括射频板及数字板，数字板内具有发射处理单元，射频板包括第一及第二变频选择单元，第一变频选择单元包括第一信道选择单元及第一上变频单元，第二变频选择单元包括第二信道选择单元及第二上变频单元，发射处理单元输出的第一频段信号经由第一信道选择单元输出或输入第一上变频单元内上变频为第二频段信号，第二频段信号经由第二信道选择单元输出或输入第二上变频单元内上变频为第三频段信号。本发明实现一套系统多频段兼容输出的同时还能够实现对频段信号上变频的链路复用，能够极大程度地满足星载设备的小型化、轻便化设计目的。

主权利要求：
1.一种星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统，包括射频板(1)及数字板(2)，其特征在于，所述数字板(2)内具有发射处理单元(21)，所述射频板(1)包括第一变频选择单元(11)及第二变频选择单元(12)，所述第一变频选择单元(11)包括第一信道选择单元(111)及第一上变频单元(112)，所述第二变频选择单元(12)包括第二信道选择单元(121)及第二上变频单元(122)，所述发射处理单元(21)输出的第一频段信号能够经由所述第一信道选择单元(111)直接输出或者经由所述第一信道选择单元(111)输入所述第一上变频单元(112)内上变频为第二频段信号，所述第二频段信号能够经由所述第二信道选择单元(121)直接输出或者经由所述第二信道选择单元(121)输入所述第二上变频单元(122)内上变频为第三频段信号；所述第一上变频单元(112)包括：第一数控衰减器(1121)，用于为输入的第一频段信号提供31db的动态范围；
带通滤波器(1122)，用于对所述第一频段信号进行带通滤波；
第一混频器(1123)，用于与本振信号混频后将所述第一频段信号上变转换为所述第二频段信号；
第一高通滤波器(1124)，用于对所述第二频段信号进行高通滤波；
第一放大器(1125)，用于对高通滤波后的所述第二频段信号进行放大；
第一低通滤波器(1126)，用于对放大后的所述第二频段信号进行低通滤波；
所述第二上变频单元(122)包括：
第二数控衰减器(1221)，用于为输入的第二频段信号提供45db的动态范围；
第二低通滤波器(1222)，用于对所述第二频段信号进行滤波；
第二混频器(1223)，用于与本振信号混频后将所述第二频段信号上变转换为所述第三频段信号；
第二高通滤波器(1224)，用于对所述第三频段信号进行滤波；
第三放大器(1225)，用于对滤波后的第三频段信号进行放大；
第四放大器(1226)，用于对所述第三放大器(1225)放大后的第三频段信号再次进行放大；
所述第一频段信号为2‑2.4Ghz的S频段信号；
所述第二频段信号为7‑9GHz的X频段信号；
所述第三频段信号为27‑31GHz的Ka频段信号。
2.根据权利要求1所述的星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统，其特征在于，所述第一信道选择单元(111)及所述第二信道选择单元(121)皆具有输入端、第一输出端及第二输出端，其中，所述第一输出端为与所述第一上变频单元(112)或者第二上变频单元(122)通信连接一端，所述第二信道选择单元(121)的第二输出端的信号传输的下游侧设有放大单元(123)，所述放大单元(123)能够将所述第二频段信号放大至目标输出功率。
3.根据权利要求2所述的星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统，其特征在于，所述目标输出功率为2瓦。
4.根据权利要求2所述的星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统，其特征在于，所述放大单元(123)包括：第二放大器(1231)，用于将输入的所述第二频段信号进行放大；
第三低通滤波器(1232)，用于将放大的所述第二频段信号进行滤波。
5.一种如权利要求1至4中任一项所述的星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统的控制方法，其特征在于，包括：当系统发射第一频段信号时，控制所述第一信道选择单元(111)的输入端与其第二输出端导通；
当系统发射第二频段信号时，控制所述第一信道选择单元(111)的输入端与其第一输出端导通，且控制所述第二信道选择单元(121)的输入端与其第二输出端导通；
当系统发射第三频段信号时，控制所述第一信道选择单元(111)的输入端与其第一输出端导通，且控制所述第二信道选择单元(121)的输入端与其第一输出端导通。 说明书 : 星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统及控制方法技术领域[0001] 本发明涉及卫星数传通信技术领域，尤其涉及一种星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统。背景技术[0002] 目前，国内外低轨遥感卫星主要采用Ka频段、X频段、S频段的频率传输信号，现有技术中，多分别针对不同的频段集成采用单一频段星载处理设备，这不满足设备小型化、轻便化的设计需求。申请号为202010249394.X的专利公开了一种星载双通道多频段可选上变频装置，其采用开关选择模块和通用化的上变频模块设计，具备双通道同时上变频，四种频段自由可选的能力，弥补了一般卫星上变频装置频段单一的不足，但是，其客观上仍为将多个单一频段变频单元的简单集成于一体，在设备小型化与轻便化方面并未得到明显优化。发明内容[0003] 本发明为进一步提高星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统的小型化及轻便化，减轻星上质量、降低发射成本，提出本发明。[0004] 为实现上述的目的，本发明第一方面提供了一种星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统，包括：[0005] 射频板及数字板，所述数字板内具有发射处理单元，所述射频板包括第一变频选择单元及第二变频选择单元，所述第一变频选择单元包括第一信道选择单元及第一上变频单元，所述第二变频选择单元包括第二信道选择单元及第二上变频单元，所述发射处理单元输出的第一频段信号能够经由所述第一信道选择单元直接输出或者经由所述第一信道选择单元输入所述第一上变频单元内上变频为第二频段信号，所述第二频段信号能够经由所述第二信道选择单元直接输出或者经由所述第二信道选择单元输入所述第二上变频单元内上变频为第三频段信号。[0006] 在一些实施方式中，所述第一信道选择单元及所述第二信道选择单元皆具有输入端、第一输出端及第二输出端，其中，所述第一输出端为与所述第一上变频单元或者第二上变频单元通信连接一端，所述第二信道选择单元的第二输出端的信号传输的下游侧设有放大单元，所述放大单元能够将所述第二频段信号放大至目标输出功率。[0007] 在一些实施方式中，所述目标输出功率为2瓦。[0008] 在一些实施方式中，[0009] 所述第一频段信号为2‑2.4Ghz的S频段信号；[0010] 所述第二频段信号为7‑9GHz的X频段信号；[0011] 所述第三频段信号为27‑31GHz的Ka频段信号。[0012] 在一些实施方式中，所述第一上变频单元包括：[0013] 第一数控衰减器，用于为输入的第一频段信号提供31db的动态范围；[0014] 带通滤波器，用于对所述第一频段信号进行带通滤波；[0015] 第一混频器，用于与本振信号混频后将所述第一频段信号上变转换为所述第二频段信号；[0016] 第一高通滤波器，用于对所述第二频段信号进行高通滤波；[0017] 第一放大器，用于对高通滤波后的所述第二频段信号进行放大；[0018] 第一低通滤波器，用于对放大后的所述第二频段信号进行低通滤波。[0019] 在一些实施方式中，所述放大单元包括：[0020] 第二放大器，用于将输入的所述第二频段信号进行放大；[0021] 第三低通滤波器，用于将放大的所述第二频段信号进行滤波。[0022] 在一些实施方式中，所述第二上变频单元包括：[0023] 第二数控衰减器，用于为输入的第二频段信号提供45db的动态范围；[0024] 第二低通滤波器，用于对所述第二频段信号进行滤波；[0025] 第二混频器，用于与本振信号混频后将所述第二频段信号上变转换为所述第三频段信号；[0026] 第二高通滤波器，用于对所述第三频段信号进行滤波；[0027] 第三放大器，用于对滤波后的第三频段信号进行放大；[0028] 第四放大器，用于对所述第三放大器放大后的第三频段信号再次进行放大。[0029] 本发明第二方面还提供一种如上述的星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统的控制方法，包括：[0030] 当系统发射第一频段信号时，控制所述第一信道选择单元的输入端与其第二输出端导通；[0031] 当系统发射第二频段信号时，控制所述第一信道选择单元的输入端与其第一输出端导通，且控制所述第二信道选择单元的输入端与其第二输出端导通；[0032] 当系统发射第三频段信号时，控制所述第一信道选择单元的输入端与其第一输出端导通，且控制所述第二信道选择单元的输入端与其第一输出端导通。[0033] 本发明的优势效果：[0034] 数字板的发射处理单元输出的第一频段信号能够依次第一变频选择单元和/或第二变频选择单元的处理或者信号选择下，最终形成目标频段的三种信号也即第一频段信号、第二频段信号及第三频段信号给地面站或者星间通信，从而实现一套通信机系统的多频段兼容输出，同时，还能够通过对第一信道选择单元及第二信道选择单元的控制切换实现对频段信号上变频的链路复用，能够极大程度地满足星载设备的小型化、轻便化设计目的，降低星载设备的体积与质量。附图说明[0035] 通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0036] 图1示意性示出了本发明实施例的星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统的系统示意框图；[0037] 图2示意性示出了图1中的第一上变频单元的结构框图(含噪声系数及链路增益数值)；[0038] 图3示意性示出了图1中的放大单元的结构框图(含噪声系数及链路增益数值)；[0039] 图4示意性示出了图1中的第二上变频单元的结构框图(含噪声系数及链路增益数值)；[0040] 图5示出了本发明的星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统输出的Ka频段信号的波形图。[0041] 附图标记表示为：[0042] 1、射频板；11、第一变频选择单元；111、第一信道选择单元；112、第一上变频单元；1121、第一数控衰减器；1122、带通滤波器；1123、第一混频器；1124、第一高通滤波器；1125、第一放大器；1126、第一低通滤波器；113、第二低频连接器；12、第二变频选择单元；121、第二信道选择单元；122、第二上变频单元；1221、第二数控衰减器；1222、第二低通滤波器；1223、第二混频器；1224、第二高通滤波器；1225、第三放大器；1226、第四放大器；123、放大单元；1231、第二放大器；1232、第三低通滤波器；2、数字板；21、发射处理单元；22、第一低频连接器；3、射频连接线；4、低频连接线。具体实施方式[0043] 现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。[0044] 此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。[0045] 附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。[0046] 附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。[0047] 应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种组件，但这些组件不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一组件与另一组件。因此，下文论述的第一组件可称为第二组件而不偏离本申请概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。[0048] 本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。[0049] 根据本发明的实施例，结合参见图1至图5所示，本发明提供一种星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统，包括：[0050] 射频板1及数字板2(也即数字板FPGA，现场可编程门阵列)，所述数字板2内具有发射处理单元21，所述射频板1包括第一变频选择单元11及第二变频选择单元12，所述第一变频选择单元11包括第一信道选择单元111及第一上变频单元112，所述第二变频选择单元12包括第二信道选择单元121及第二上变频单元122，所述发射处理单元21输出的第一频段信号能够经由所述第一信道选择单元111直接输出或者经由所述第一信道选择单元111输入所述第一上变频单元112内上变频为第二频段信号，所述第二频段信号能够经由所述第二信道选择单元121直接输出或者经由所述第二信道选择单元121输入所述第二上变频单元122内上变频为第三频段信号，前述上变频指的是，由一频率较低的信号转换为频率较高的信号。具体参见图1所示，数字板2内的第一低频连接器22与第一变频选择单元11内的第二低频连接器113之间通过低频连接线4通信连接，从而实现数字板2对射频板1的电源及控制信号的传输。各上变频单元与各信道选择单元之间，发射处理单元21与第一信道选择单元111，以及各信道选择单元的信号输出端处皆经由射频连接线3形成通信连接。[0051] 该技术方案中，数字板2的发射处理单元21输出的第一频段信号能够依次第一变频选择单元11和/或第二变频选择单元12的处理或者信号选择下，最终形成目标频段的三种信号也即第一频段信号、第二频段信号及第三频段信号给地面站或者星间通信，从而实现一套通信机系统的多频段兼容输出，同时，还能够通过对第一信道选择单元111及第二信道选择单元121的控制切换实现对频段信号上变频的链路复用，能够极大程度地满足星载设备的小型化、轻便化设计目的，降低星载设备的体积与质量。需要强调的是，由于本发明中对信号链路的复用，实现本发明的系统仅采用一套数字板2即可实现对多个不同频段信号的发射处理，极大程度地降低了星载设备的结构。[0052] 继续参见图1所示，在一些实施方式中，所述第一信道选择单元111及所述第二信道选择单元121皆具有输入端、第一输出端及第二输出端，其中，所述第一输出端为与所述第一上变频单元112或者第二上变频单元122通信连接一端，所述第二信道选择单元121的第二输出端的信号传输的下游侧设有放大单元123，所述放大单元123能够将所述第二频段信号放大至目标输出功率。具体而言，前述的第一信道选择单元111及第二信道选择单元121皆可以采用单刀双掷开关，以能够极为便利地控制频段信号在两个通道之间切换导通，单刀双掷开关具有一个输入端与两个输出端。[0053] 该技术方案中，在第二信道选择单元121的第二输出端的信号传输的下游侧设置放大单元123，能够将经由第一上变频单元112上变频的输出信号，也即第二频段信号的输出功率进行放大，以能够达到信号向外部传输的需求，同时，在需要对第二频段信号经由第二上变频单元122再次上变频时，可以保证第二频段信号作为第二上变频单元122的输入信号功率不会超出系统线性工作区，进而避免后级饱和无法工作现象的出现。[0054] 在一个具体的实施例中，所述目标输出功率为2瓦，以达到本发明中的第二频段信号为X频段信号的设计目的。[0055] 在一个优选的实施例中，所述第一频段信号为2‑2.4Ghz的S频段信号；所述第二频段信号为7‑9GHz的X频段信号；所述第三频段信号为27‑31GHz的Ka频段信号，从而使得本发明的输出信号频段带宽为2G和4G，也即本发明的输出信号频段带宽更宽，如此可以处理更多信号，增加传输速率和信息容量。[0056] 由于本发明中的输出信号频段带宽更宽，为了满足这一设计目的，对各上变频单元及放大单元进行了具体设计，以能够解决由于带宽增大所带来的更复杂的滤波和消除镜像频率干扰的技术需求。[0057] 具体参见图2所示，在一些实施方式中，所述第一上变频单元112包括：第一数控衰减器1121，用于为输入的第一频段信号提供31db的动态范围；带通滤波器1122，用于对所述第一频段信号进行带通滤波；第一混频器1123(具体为有源混频器)，用于与本振信号混频后将所述第一频段信号上变转换为所述第二频段信号；第一高通滤波器1124，用于对所述第二频段信号进行高通滤波；第一放大器1125，用于对高通滤波后的所述第二频段信号进行放大；第一低通滤波器1126，用于对放大后的所述第二频段信号进行低通滤波，避免谐波过大干扰系统解析。[0058] 该技术方案中，通过第一上变频单元112对输入其内的第一频段信号依次经历数控衰减→带通滤波→混频→高通滤波→放大→低通滤波处理后，将输入的S频段信号上变转换为X频段信号输出，然后送给外部进行信号传输，具有高增益高动态低杂散的效果。[0059] 具体如图2所示出，在一个具体的实施例中，第一数控衰减器1121的型号为HMC1119，用于提供31db的动态范围；带通滤波器1122的型号为BFCN‑2275+，用于对S频段信号进行滤波；第一混频器1123的型号为LTC5549，用于将S频段信号上变转换为X频段的信号；第一高通滤波器1124的型号为HFCN672+，用于对X频段信号进行滤波；第一放大器1125的型号为PMA‑183PLN+，用于对X频段信号进行放大；第一低通滤波器的型号为LFCN‑9170+，用于对X频段信号进行滤波，从而满足该第一上变频单元112的高增益高动态低杂散的设计需求。[0060] 具体参见图3所示，在一些实施方式中，所述放大单元123包括：第二放大器1231，用于将输入的所述第二频段信号进行放大；第三低通滤波器1232，用于将放大的所述第二频段信号进行滤波，从而使得第二频段信号的输出功率被放大后输出至外部进行信号传输，抑制谐波信号。[0061] 具体如图3所示出，在一个具体的实施例中，第二放大器1231的型号为HMC7357，第三低通滤波器1232的型号为LFCN‑9170+。[0062] 具体参见图4所示，所述第二上变频单元122包括：第二数控衰减器1221，用于为输入的第二频段信号提供45db的动态范围；第二低通滤波器1222，用于对所述第二频段信号进行滤波；第二混频器1223(具体为有源混频器)，用于与本振信号混频后将所述第二频段信号上变转换为所述第三频段信号；第二高通滤波器1224，用于对所述第三频段信号进行滤波；第三放大器1225，用于对滤波后的第三频段信号进行放大；第四放大器1226，用于对所述第三放大器1225放大后的第三频段信号再次进行放大。[0063] 该技术方案中，通过第二上变频单元122对输入其内的第二频段信号依次经历数控衰减→低通滤波→混频→高通滤波→两级放大后，将输入的X频段信号上变转换为Ka频段信号输出，然后送给外部进行信号传输，具有高增益高动态低杂散的效果。需要特别说明的是，前述对高通滤波后的第三频段信号进行两级放大处理能够显著提高增益及输出功率。[0064] 具体参见图4所示出，在一个具体的实施例中，第二数控衰减器1221的型号为HMC629A，用于提供45db的动态范围；第二低通滤波器1222的型号为LFCN‑9170+，用于对X频段信号进行滤波；第二混频器1223的型号为HMC774ALC3B，用于将X频段信号转变为Ka频段的信号；第二高通滤波器1224的型号为XHF2‑153+，用于对Ka频段信号进行滤波；第三放大器1225的型号为PMA3‑34GLN+，用于对Ka频段信号进行一级放大；第四放大器1226的型号为HMC449LC4，用于对Ka频段信号进行再次放大，从而满足该第二上变频单元122的高增益高动态低杂散的设计需求。[0065] 由于采用了前述各上变频单元的部件设计，使得S‑X变频链路(也即前述第一上变频单元112)最大增益11.8dB，X‑Ka变频链路(也即前述第二上变频单元122)最大增益24.3dB，总链路最大增益36.1dB，也即实现了链路的高增益；X‑Ka变频链路有数控衰减器(也即前述的第二数控衰减器1221)提供的45db动态范围，S‑X变频链路有数控衰减器(也即前述的第一数控衰减器1121)提供的31db动态范围和范围，共计76db的动态范围，也即实现了系统的高动态；由于采用了有源混频器，降低了驱动功率过高带来的杂散，输入输出及放大后均有滤波器进行滤波，降低了链路杂散，也即实现了系统的低杂散设计。[0066] 具体参见图5所示，图中黑色曲线为相位噪声总曲线，图中示出，在偏移100Hz～100MHz(也即图中黑色三角标记点的横坐标位置处)的时候相位噪声均小于‑80dbc/Hz，说明杂散及相位噪声等射频指标良好，符合设计预期。[0067] 能够理解的是，参见图2至4所示，各上变频单元及放大单元内的各元器件依据信号的处理前后顺序形成电性连接。[0068] 以下结合图1对本发明的系统工作过程及信号链路选择进一步予以阐述：[0069] ①发射S频段信号时:[0070] 数字板2控制第一信道选择单元111的输入端与其第二输出端导通，S频段的信号由发射处理单元21产生并经第一信道选择单元111进入RFout‑S连接器并对外传输；[0071] ②发射X频段信号时：[0072] 数字板2控制第二信道选择单元121的输入端与其第二输出端导通，同时控制第一信道选择单元111的输出端与其第一输出端导通，S频段信号由发射处理单元21产生并经第一信道选择单元111进入第一上变频单元112后转变为X频段信号，再经放大单元123后成为功率为2瓦的X频段信号，由RFout‑X连接器对外传输X频段信号；[0073] ③发射Ka频段信号时：[0074] S频段的信号由发射处理单元21产生，数字板2控制第一信道选择单元111的输入端与其第一输出端导通，经第一上变频单元112后转变为X频段信号，数字板2控制第二信道选择单元121的输入端与其第一输出端导通；X频段信号输入第二上变频单元122，经处理后转变为Ka频段信号，Ka频段信号由RFout‑Ka连接器对外传输Ka频段信号。[0075] 也即根据本发明的实施例，还提供一种如上述的星载链路复用多频段射频发射测控通信机系统的控制方法，包括：[0076] 当系统发射第一频段信号时，控制所述第一信道选择单元111的输入端与其第二输出端导通，此时的第二信道选择单元121处于默认位置即可；[0077] 当系统发射第二频段信号时，控制所述第一信道选择单元111的输入端与其第一输出端导通，且控制所述第二信道选择单元121的输入端与其第二输出端导通；[0078] 当系统发射第三频段信号时，控制所述第一信道选择单元111的输入端与其第一输出端导通，且控制所述第二信道选择单元121的输入端与其第一输出端导通。[0079] 特别的，本系统所述第一上变频单元112的本振信号由TI公司的锁相环芯片LMX2594提供，所述第二上变频单元122的本振信号由由TI公司的锁相环芯片LMX2594经倍频后提供，由于不是本发明的重点内容，本文不再赘述。[0080] 综上，本发明的通信机系统可以发射Ka、X、S多频段的信号，用作星载产品可以有效降低设备体积质量和整体系统复杂度。[0081] 通过以上的实施例的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施例可以通过软件结合硬件的方式来实现。[0082] 以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施例。应可理解的是，本发明不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

专利地区：宁夏

专利申请日期：2024-03-29

专利公开日期：2024-11-05

专利公告号：CN118282478B