CN103944631A - 一种基于sip技术的微型星载x波段数传发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置，包括：接口芯片、SIP芯片、遥测接口和电源变换模块。SIP芯片包括：温补晶振、锁相环、调制器、一级衰减-滤波-放大电路、二级衰减-滤波-放大电路、检波电路、电流驱动电路、极性变换电路；电流驱动电路放大星上数据的驱动电流，极性变换电路对星上数据映射成正负极性电平信号并输入调制器，温补晶振通过锁相环产生X波段本振信号并输入调制器，调制器根据正负极性电平信号以及X波段本振信号调制输出星上调制信号，星上调制信号依次经过一级衰减-滤波-放大电路以及二级衰减-滤波-放大电路的滤波和放大后输入检波器进行检波输出，以及输入天线进行数传发射。

Description

一种基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置

技术领域

本发明涉及卫星数传通信技术领域，特别涉及一种基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置。

 

背景技术

星载数传发射装置的主要完成星上数据的调制、滤波和放大，并通过天线对地传输。其核心作用是将基带信号频谱搬移到卫星通信的指定信道上，并使信号满足星地链路EIRP（等效全向辐射功率）的要求，确保地面站的接收误码率满足任务需求。数传发射装置是卫星数传链路中的必不可少的设备。

一般的数传发射装置采用数字逻辑器件、射频器件、射频组件以及分立元器件来实现，通过大规模逻辑器件如FPGA完成星上数据流的串并或并串变换和电流驱动，通过分立元件完成数字信号的极性变换，通过晶振、直倍频器等独立射频组件产生本振信号，通过调制模块、滤波器等射频器件完成调制和滤波功能。装置一般采用QPSK调制方式，调制速率在100~450Mbps范围内，体积约为200mm×160mm×50mm，重量约为2kg，功耗不小于13W，其输出功率为0~4dBm，且不包含功率放大设备如行波管或固态功放。

微纳卫星是近年来卫星发展的新兴方向，通常按卫星的质量划分，一般将10~100kg的称为微型卫星，1~10kg的称为纳卫星。目前的数传发射装置由于电路复杂、元器件种类和数量繁多，采用多个独立射频器件、组件和分立器件来实现，使装置内部有大量金属壳体和封装，造成其体积、重量和功耗都比较大，无法适应微纳卫星的应用。同时，采用大规模逻辑器件使得装置容易受到单粒子翻转的影响。单粒子翻转是发生在具有单稳态或双稳态的逻辑器件和逻辑电路的一种带电粒子辐射效应。这种效应会使大规模逻辑器件发生逻辑或配置错误，造成整个数传链路出现误码甚至失效。此外，对于微纳卫星而言，由于受功耗限制，信号EIRP值比较紧张，在雨天或信道噪声功率较大的不良环境条件下往往需要降低数据传输速率或改变调制方式来提高信号的信噪比。一般的数传发射装置采用固定的调制方式和固定传输速率，并不能适应这一要求。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置，包括：

接口芯片，接收星上数据并对星上数据进行电平转换；

SIP芯片，连接接口芯片，SIP芯片包括：温补晶振、锁相环、调制器、一级衰减-滤波-放大电路、二级衰减-滤波-放大电路、检波电路、电流驱动电路、极性变换电路；其中，电流驱动电路连接接口芯片，用以放大星上数据的驱动电流，极性变换电路连接电流驱动电路，用以对星上数据映射成正负极性电平信号并输入调制器，温补晶振通过锁相环产生X波段本振信号并输入调制器，调制器根据正负极性电平信号以及X波段本振信号调制输出星上调制信号，星上调制信号依次经过一级衰减-滤波-放大电路以及二级衰减-滤波-放大电路的滤波和放大后输入检波器进行检波输出，以及输入一天线进行数传发射；

遥测接口，连接检波器，将检波输出作为遥测信号进行输出；

电源变换模块，连接SIP芯片，用以完成一次电源变换。

较佳的，一级衰减-滤波-放大电路进行饱和输出，包括依次连接的：衰减器、微带滤波器以及一级LNA放大器；二级衰减-滤波-放大电路用以浅饱和输出，包括依次连接的：衰减器、MEMS滤波器以及二级功放器。

较佳的，二级衰减-滤波-放大电路的输出端连接有一微带滤波器，用以控制输出频率范围。

较佳的，检波器采用平行耦合线耦合出部分经过二级衰减-滤波-放大电路的滤波和放大后的星上调制信号的功率，在通过肖特基二极管进行检波，检波后通过遥测接口放大并输出1.5V-3.3V的直流信号。

较佳的，基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置采用的电路板为多层复合介质，将微带板与普通印制板结合，用以保证高频新能和力学强度。

本发明可用于微纳卫星的数传发射装置，以解决一般星载数传发射装置体积、重量、功耗无法适应微小卫星应用的问题。

 

附图说明

图1所示的是本发明的结构示意图；

图2所示的是本发明的SIP芯片的结构示意图。

 

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，本发明提供的一种基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置，包括：LVDS（Low Voltage Differential Signaling，低压差分信号）数据接口1、SIP（System In Package，系统级封装）芯片2、电源变换模块3、遥测接口4。本发明的工作流程为：通过LVDS接口1接收来自星上的数字信号，由SIP芯片2完成数字信号的电流驱动、极性映射，产生X波段本振信号，由SIP芯片2中的调制器完成调制，再通过两级滤波放大电路进行已调信号的放大滤波，最后将信号送天线进行发射。电源变换模块，完成一次电源变换。同时，SIP芯片2中的耦合检波电路将输出信号的功率转化为直流电压，通过遥测电路放大后对外输出。本发明的电路板采用多层复合介质电路进行设计，将微带板与普通印制板结合使用，既保证了高频性能，又具备了力学强度。

如图2所示，SIP芯片2包括：温补晶振、锁相环、调制器、两级衰减-滤波-放大电路、检波电路、电流驱动、极性变换电路。通过SIP技术将裸芯片及电路集成到1块芯片内，单片SIP芯片完全实现本振产生、数字信号驱动、极性变换、X波段射频直调、限带滤波和功率放大功能。外围电路仅需要电源变换模块、数据接口芯片和遥测接口电路即可实现完整的数传功能，极大的简化了电路的设计，缩小了电路规模。

其工作原理描述如下：电流驱动电路用于放大数字信号的驱动电流，再由极性变换电路将数字信号映射成正负极性电平信号。温补晶振信号通过锁相倍频的方式产生X波段本振信号，送入调制器中作为星上调制数据的载波信号，两级衰减-滤波-放大电路完成已调信号的放大和滤波功能。通过使第一级放大器饱和输出，第二级放大器浅饱和输出，克服了三种调制方式下调制器输出功率变化超过4dB的问题，使芯片输出功率变化小于±1dB；此外，SIP芯片中的检波电路耦合出一部分输出功率信号，通过遥测接口电路放大后作为遥测信号输出。

SIP芯片内部的调制器采用砷化镓工艺的双平衡混频器，支持4~8.5GHz频率的射频信号和DC~3.5Gbps的基带信号进行直调，通过选择使用调制器两个中频接口中的1个或2个，或者使两路中频输入信号的相对相位延时为90°，可实现BPSK、QPSK、OQPSK三种调制方式的无缝切换。

SIP芯片中集成了检波电路，采用平行耦合线耦合出部分输出功率，再通过肖特基二极管进行检波，被检波的信号为X波段已调宽带信号，检波后的直流信号通过遥测接口电路放大至1.5~3.3V电压之间。

通过SIP专有技术如覆晶技术、线结合技术、多层堆叠技术、高密度黏着技术等将未封装的裸芯片集成到一块芯片内，完整集成了数传发射系统的核心功能。SIP芯片2采用锁相环倍频产生本振信号，参考源采用20MHz温补晶振，采用鉴相频率为20MHz的鉴相器进行倍频，参考源经400倍频产生8000 MHz的X波段本振信号；SIP芯片2中的调制器采用砷化镓工艺的双平衡混频器，支持4~8.5GHz频率的射频信号和DC~3.5Gbps的基带信号进行直调。如图3所示，通过选择使用调制器两个中频接口中的1个或2个，或者使两路中频输入信号的相对相位延时保持90°，可分别实现BPSK、QPSK、OQPSK三种调制方式；SIP芯片中集成了两级滤波放大电路，两级滤波器分别采用微带滤波器和MEMS滤波器实现。先将调制后的0~1dBm射频信号通过一级放大得到10dBm信号，再通过二级放大使输出信号功率大于2W，对不同调制方式而言，BPSK下输出功率为0~1dBm，QPSK及OQPSK下输出功率为3~4dBm，通过使第一级放大器（LNA，low-noise amplifier，低噪音放大器）饱和输出，第二级放大器（功放）浅饱和输出，可使三种调制方式下输出功率变化小于±1dB； SIP芯片中集成了检波电路，采用平行耦合线耦合出部分输出功率，并通过肖特基二极管完成检波，被检波的信号为X波段已调宽带信号，检波后的直流信号通过遥测接口电路放大至1.5~3.3V电压之间。

本发明的体积为45mm×45mm×30mm，重量小于70g，总功耗不超过9W。由于体积小、重量轻，该装置可以直接安装在数传天线口上，输出与数传天线直接连接，无需通过馈线传输，最大程度的减小了下行数传链路的馈线损耗。本发明中不包含FPGA，无需对数字信号进行处理即可直接完成调制。因此该装置对单粒子翻转效应完全免疫。可接收最高300Mbps码速率的数据完成调制，并且无需做任何改动，可自适应码速率从DC~300Mbps的变化。

同一般的数传发射装置相比，本发明通过SIP技术在单片芯片中实现了本振产生、信号驱动、极性变换、X波段射频调制、限带滤波和功率放大等功能。通过SIP专有技术如覆晶技术、线结合技术、多层堆叠技术、高密度黏着技术等将未封装的裸芯片集成到1块芯片内，完整集成了数传发射系统的核心功能，简化了外围电路的设计，极大的减小了装置的体积、重量和功耗。本发明在发射装置中集成了调制信号放大功能，无需专有功率设备如行波管、固态功放等对信号进行放大，可直接与数传天线连接。通过在SIP芯片中集成了两级衰减-滤波-放大网络替代隔离器，实现了反射信号的抑制，缩小了装置的体积和重量；本发明中该装置不包含大规模逻辑器件，因而不受单粒子翻转效应的影响；支持BPSK、QPSK、OQPSK三种调制方式的无缝切换；调制速率能够自适应DC~300Mbps；支持卫星在雨天或信道噪声功率较大的不良环境条件下切换调制方式或降级传输速率。本发明的体积约为一般数传发射装置的1/42，重量约为一般数传发射装置2.5%，功耗约为一般数传发射装置的1/2。由于其体积小，质量轻，可安装在天线接口端，直接与数传天线连接，最大程度的减小馈线损耗。本发明可广泛应用于小卫星或微纳卫星的数传系统中。另外，本装置还可应用于微小卫星的数传测控一体化设计中，并可向常规卫星的数传系统推广。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置，其特征在于，包括：

接口芯片，接收星上数据并对星上数据进行电平转换；

SIP芯片，连接所述接口芯片，所述SIP芯片包括：温补晶振、锁相环、调制器、一级衰减-滤波-放大电路、二级衰减-滤波-放大电路、检波电路、电流驱动电路、极性变换电路；其中，所述电流驱动电路连接所述接口芯片，用以放大星上数据的驱动电流，所述极性变换电路连接所述电流驱动电路，用以对星上数据映射成正负极性电平信号并输入所述调制器，所述温补晶振通过所述锁相环产生X波段本振信号并输入所述调制器，所述调制器根据所述正负极性电平信号以及所述X波段本振信号调制输出星上调制信号，所述星上调制信号依次经过所述一级衰减-滤波-放大电路以及所述二级衰减-滤波-放大电路的滤波和放大后输入所述检波器进行检波输出，以及输入一天线进行数传发射；

遥测接口，连接所述检波器，将检波输出作为遥测信号进行输出；

电源变换模块，连接所述SIP芯片，用以完成一次电源变换。

2.根据权利要求1所述的基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置，其特征在于，所述一级衰减-滤波-放大电路进行饱和输出，包括依次连接的：衰减器、微带滤波器以及一级LNA放大器；所述二级衰减-滤波-放大电路用以浅饱和输出，包括依次连接的：衰减器、MEMS滤波器以及二级功放器。

3.根据权利要求1所述的基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置，其特征在于，所述二级衰减-滤波-放大电路的输出端连接有一微带滤波器，用以控制输出频率范围。

4.根据权利要求1所述的基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置，其特征在于，所述检波器采用平行耦合线耦合出部分经过所述二级衰减-滤波-放大电路的滤波和放大后的星上调制信号的功率，在通过肖特基二极管进行检波，检波后通过所述遥测接口放大并输出1.5V-3.3V的直流信号。

5.根据权利要求1所述的基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置，其特征在于，所述基于SIP技术的微型星载X波段数传发射装置采用的电路板为多层复合介质，将微带板与普通印制板结合，用以保证高频新能和力学强度。