CN102035565A - 一种基于rfic的微型射频通信模块 - Google Patents

Abstract

一种基于RFIC的微型射频通信模块，属于航天应用领域，本发明为解决现有卫星星地及星间通信系统存在体积大、重量重、功耗大、功能密度低的问题。本发明的处理器发射信号端与射频发射模块的发射信号端相连，射频发射模块的输出端与功放模块的输入端相连，功放模块的输出端与环形器的输入端相连，发射信号通过与环形器连接的天线辐射出去；环形器通过天线接收信号，环形器的输出端与低噪声放大器的输入端相连，低噪声放大器的输出端与射频接收模块的输入端相连，射频接收模块的接收信号输入输出端与处理器的接收信号输入输出端相连；DC/DC转换模块的直流电压输出端分别给射频发射模块、射频接收模块、功放模块和低噪声放大器提供工作电源。

Description

一种基于RFIC的微型射频通信模块

技术领域

本发明涉及一种基于RFIC的微型射频通信模块，属于航天应用领域。

背景技术

小卫星编队飞行是目前国内外研究的一块崭新的领域，多颗小卫星编队飞行，共同执行空间任务，来完成单颗大卫星完成的任务，可以大大地提高系统的抗干扰性能和抗摧毁能力。但这同时对微小卫星星地通信系统和星间通信系统的重量、体积、功能密度、功耗等指标也提出了新的要求。现有卫星星地及星间通信系统存在体积大、重量重、功耗大、功能密度低的问题，现在，在通常的卫星设计中，星地通信设备主要为测控应答机，通常功耗不低于20W，重量不小于6Kg；星间通信设备主要为体积、重量巨大的转发器，通常占用一个整舱，重量超过100Kg，功耗可达上百瓦，不适合作为小卫星的通信载荷。

发明内容

本发明目的是为了解决现有卫星星地及星间通信系统存在体积大、重量重、功耗大、功能密度低的问题，提供了一种基于RFIC的微型射频通信模块。

本发明包括处理器、射频发射模块、射频接收模块、功放模块、低噪声放大器、环形器和DC/DC转换模块，处理器发射信号输入输出端与射频发射模块的发射信号输入输出端相连，射频发射模块的发射信号输出端与功放模块的输入端相连，功放模块的输出端与环形器的输入端相连，发射信号通过与环形器连接的天线辐射出去；

环形器通过天线接收信号，环形器的输出端与低噪声放大器的输入端相连，低噪声放大器的输出端与射频接收模块的接收信号输入端相连，射频接收模块的接收信号输入输出端与处理器的接收信号输入输出端相连；

DC/DC转换模块的直流电压输出端分别给射频发射模块、射频接收模块、功放模块和低噪声放大器提供工作电源。

本发明的优点：

1)采用了RFIC技术，将星地通信功能、星间通信功能等功能集成于一体；

2)集成了微型航天器的通用功能，实现了系统资源的优化配置与共享，简化了系统接口和集成测试环节；

3)具有标准化、可扩展的对外接口，包括CAN总线接口、串行接口、A/D和D/A接口以及供电接口等；

4)适应不同有效载荷，通过外部资源的优化配置，真正实现面向有效载荷的一体化设计与柔性化集成；

5)具有小型化的特点，满足微型航天器分布式空间应用的需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明所述基于RFIC的微型射频通信模块在星上系统中与其它组件的连接结构示意图；

图3是处理器扩展CAN接口示意图；

图4是处理器与射频发射模块、射频接收模块的连接结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式包括处理器1、射频发射模块2、射频接收模块3、功放模块4、低噪声放大器5、环形器6和DC/DC转换模块7，处理器1发射信号输入输出端与射频发射模块2的发射信号输入输出端相连，射频发射模块2的发射信号输出端与功放模块4的输入端相连，功放模块4的输出端与环形器6的输入端相连，发射信号通过与环形器6连接的天线辐射出去；

环形器6通过天线接收信号，环形器6的输出端与低噪声放大器5的输入端相连，低噪声放大器5的输出端与射频接收模块3的接收信号输入端相连，射频接收模块3的接收信号输入输出端与处理器1的接收信号输入输出端相连；

DC/DC转换模块7的两端分别与射频接收模块3和低噪声放大器5相连。

本实施方式所述的基于RFIC的微型射频通信模块具有重量小，体积小，高功能密度，能够适应编队飞行环境的特性，利用RFIC技术，集微型航天器星间通信和星地通信功能于一体的高功能密度通用核心模块，具有标准化的CAN总线对外接口，可以快速灵活地适配不同有效载荷，实现面向飞行任务的柔性化集成；具有批量化生产的优势，可以实现微型航天器研制的低成本和短周期；具有高效的星间通信功能，基于“微型射频通信模块”集成的多颗微型航天器，可以灵活地实现分布式空间应用，极大地增强了传统星载电子系统的通信能力和功能密度。

编队飞行过程中，卫星间距离在几十米至几十千米不等，对低轨卫星，星地通信距离约2000Km，可以采用体积较小的螺旋赋性天线作为射频单元的天线，对地通信时，当卫星姿态保持不变，星地距离较远时增益较大，较近时增益较小，保证了星地通信的链路。

射频发射模块2和射频接收模块3为RFIC模块，射频发射模块2和射频接收模块3的核心器件采用nRF2401射频芯片。射频发射模块2和射频接收模块3的内部分别集成了一个频率综合器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调制器。频率综合器主要接收晶体振荡器的基频信号进行频率综合，输出单元内部所需的各种频率分量；功率放大器主要是用于发射端的信号放大，最大输出为0dBm；调制器主要是用于发射端的信号调制，调制方式为GFSK；晶体振荡器则用于产生基频信号。另外，接收单元和发射单元分别有3个对外的串口信号接口，用于单元工作模式的控制(包括工作频率、数据的传输速率、收/发的时间分配和时间间隔等)。

环行器6及前端电路主要包括功放模块4(PA)和低噪声放大器5(LNA)，主要用于信号隔离及接收、发送信号的放大。环行器6主要用于收、发信号的隔离及半双工工作，隔离度在25dB以上，插损为0.3dB，可以保证在发射端工作时，接收端不会出现饱和甚至对低噪放造成损害的现象，并且无须增加信号的切换开关控制，另外利用PA的开关控制信号对收发进行开关控制，确保两者分时工作，从而在物理上增加了模块正常工作的可靠性与抗干扰性。

由于射频接收模块3对信号强度的要求比较高，而卫星的通信信号又比较弱，故在前端增加了LNA电路。LNA的增益在27dB以上，噪声系数为0.6dB，接收信号经LNA放大后，送到后级进行隔离放大，最后到射频接收模块3进行信号处理。

处理器1采用C8051F040型号单片机。相比传统的单片机，C8051不仅在速度上有了大幅度的提高，在功耗上也得到进一步降低；并且C8051F040采用了贴片封装，占用较小的面积，并且具有众多的I/O接口，对外扩展方便；此外，温度要求对于航天器尤为重要，航天器对日时，温度上升很快，运行至地球阴影区时，温度下降很快，而C8051F040在-40℃～+85℃下正常工作；同时，C8051F040处理器搭载试验卫星三号进行了在轨测试，在轨工作期间性能良好。针对以上分析，选择了C8051F040的处理器作为无线网络卫星平台的处理器1，其功耗小；温度范围达标；具有先进的贴片封装方式；64路可编程I/O；可控制内部/外部时钟以优化功耗。该处理器还具备多种配套的开发工具同时货源也是充足的。

由于射频发射模块2提供的信号功率比较小，而卫星的通信信号又要求比较大的发射功率，故在后端增加了PA电路。PA的增益在30dB以上，输出功率为1W，最终送到环行器6，通过环行器6发送至天线辐射出去。

基于以上条件，对星地通信链路和整体设计方案进行了分析和计算：

PR＝PT*Ltc*GT*Ltp*LS*LA*LP*Lrp*GR*Lrc*Lra*SF

信噪比EB/N0＝PR/N0

其中：

PR为接收机前端(LNA)收到的信号功率，在本系统中需大于-90dBm，其可能的提高部分作为系统余量；

PT为发射机功率，其中地面为200W，星上为1W，考虑到链路计算时分别按上、下行进行计算。

Ltc为发射机到天线的损耗，在本系统中包括馈线损耗和开关等，暂定为-1dBm；

Ltp为发射天线的指向损耗，考虑到本系统中天线为宽波束，暂定为-1dBm；

Lra为接收机增益，

LS为电磁波的路径损耗，根据卫星的距离(按2000Km考虑，)，可以计算得到，为-166dBm；

LA为电离层的损耗，考虑到系统的频率在2.4G，故损耗忽略不计；

LP为天线极化损耗，考虑到系统的极化方式一致，故损耗忽略不计；

Lrp为接收天线的指向损耗，考虑到本系统中天线均为宽波束，暂定为-1dBm；

Lrc为接收机到天线的损耗，在本系统中包括馈线损耗和环行器等，暂定为-1dBm；

SF为系统余量，一般考虑为3dB；

GT和GR为发射天线和接收天线的增益。

EB/N0为接收信噪比，信号能否正确解调，取决于接收信噪比的大小是否满足解调门限-14.5dBHz。

N0为噪声功率，信号带宽取250Kbps，星上噪声温度取290K，地面噪声温度取82K，则地面噪声功率为-125.5dBm，星上噪声功率为-120.0dBm。

由上可知，功率方面，上行时：GT+GR+Lra需要有33dB的增益。

下行时：GT+GR+Lra需要有48dB左右的增益。

信噪比方面，上行时，需要低噪放前信号强度大于-101.9dBm，需GT+GR有至少18dB增益，下行时，地面天线低噪放前需要-106.0dBm，需GT+GR有35.5dB增益

根据系统的限制条件，地面采用抛物面天线，星上采用螺旋天线。

地面天线的口径为7.3m，则其增益为40dB，并含有增益40dB、噪声系数不大于2的低噪放，将信号功率放大至可接收的范围内，半功率波束宽约为1°。

星上天线设计成螺旋赋形天线，半功率波束宽在±70°左右，则其增益为两边高(3.5dB左右)，中间低(0dB左右)。

综合以上分析，上行和下行都可以满足使用要求。

本实施方式所述的基于RFIC的微型射频通信模块可扩展多种接口，通过处理器进行对外扩展，处理器1的可扩展对外接口包括CAN总线接口、串行接口、A/D转换接口、D/A转换接口和供电接口。

具体为：

1)USART0：异步串行接口，可扩展为RS485、RS422、RS232等多种接口。

2)CAN接口：CAN总线选用内部CAN总线，CAN控制器接口芯片选用82C250，82C250的RS引脚接P4.1。

3)射频接口：主要是天线及星地接口。

4)USART1：异步串行接口。

5)A/D，用于电压等模拟量采集。A/D提供电压测量输入(1-4路)。

如图3和图4所述。

Claims (7)

1.一种基于RFIC的微型射频通信模块，其特征在于，它包括处理器(1)、射频发射模块(2)、射频接收模块(3)、功放模块(4)、低噪声放大器(5)、环形器(6)和DC/DC转换模块(7)，处理器(1)发射信号输入输出端与射频发射模块(2)的发射信号输入输出端相连，射频发射模块(2)的发射信号输出端与功放模块(4)的输入端相连，功放模块(4)的输出端与环形器(6)的输入端相连，发射信号通过与环形器(6)连接的天线辐射出去；

环形器(6)通过天线接收信号，环形器(6)的输出端与低噪声放大器(5)的输入端相连，低噪声放大器(5)的输出端与射频接收模块(3)的接收信号输入端相连，射频接收模块(3)的接收信号输入输出端与处理器(1)的接收信号输入输出端相连；

DC/DC转换模块(7)的两个直流电压输出端分别为射频发射模块(2)和射频接收模块(3)、功放模块(4)和低噪声放大器(5)提供工作电源。

2.基于权利要求1所述的一种基于RFIC的微型射频通信模块，其特征在于，射频发射模块(2)和射频接收模块(3)的核心器件采用nRF2401射频芯片。

3.基于权利要求1所述的一种基于RFIC的微型射频通信模块，其特征在于，处理器(1)采用C8051F040型号单片机。

4.基于权利要求3所述的一种基于RFIC的微型射频通信模块，其特征在于，处理器(1)的可扩展对外接口包括CAN总线接口、串行接口、A/D转换接口、D/A转换接口和供电接口。

5.基于权利要求1所述的一种基于RFIC的微型射频通信模块，其特征在于，当所述基于RFIC的微型射频通信模块位于地面系统时，所述天线是抛物面天线；当所述基于RFIC的微型射频通信模块位于星上系统时，所述天线是螺旋天线。

6.基于权利要求5所述的一种基于RFIC的微型射频通信模块，其特征在于，所述抛物面天线的口径为7.3m，则其增益为40dB，并含有增益40dB、噪声系数小于或等于2的低噪放，半功率波束宽约为1°。

7.基于权利要求5所述的一种基于RFIC的微型射频通信模块，其特征在于，所述螺旋天线是螺旋赋形天线，半功率波束宽在±70°。

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