基于Cubesat平臺(tái)的874 GHz冰云探測儀設(shè)計(jì)

張 欣,胡偉東,劉瑞婷,司煒康,李雅德,劉芫嘍,LIGTHART Leo P.

(1. 北京理工大學(xué)，北京 100000；2. 代爾夫特理工大學(xué)，荷蘭 代爾夫特2628 CN)

0 引言

冰云是完全或幾乎由冰晶粒子組成的云，存在于大氣對流層上層8～15 km處，對地球表面的覆蓋率達(dá)30%。冰云可影響地球溫度，對地球起保溫作用[1]。冰晶顆粒的凝華同樣嚴(yán)重影響降水及降雪率[2]，在冰晶顆粒加強(qiáng)時(shí)，降水量升高，減弱時(shí)降水量降低[3]。此外，云水特別是臺(tái)風(fēng)中存在的冰粒子影響熱帶的氣體動(dòng)力學(xué)，而大尺度的大氣環(huán)流趨勢和海表面的狀態(tài)是臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的重要影響因素[3]。冰云在大氣溫度、降水、臺(tái)風(fēng)形成等許多領(lǐng)域都扮演著非常重要的角色，故探測冰云非常重要。然而冰云具有尺寸小、顆粒稀疏、易散射等特點(diǎn)，難以探測?，F(xiàn)有的激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)、大氣臨邊探測儀等多種氣象探測設(shè)備均不能準(zhǔn)確探測冰云，且冰云的探測極其依賴頻率，故低頻段的微波探測技術(shù)已不能滿足要求。日本信息通信研究機(jī)構(gòu)(NICT)研究太赫茲及冰云發(fā)現(xiàn)，對尺寸為幾百微米的冰云顆粒，用太赫茲頻段觀測效果最佳[4]。中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心(簡稱中科院空間中心)、西安空間無線電技術(shù)研究院、上海航天電子技術(shù)研究所、北京航空航天大學(xué)等均在研制微波輻射計(jì)。中科院空間中心已研制118，150，183，220，424.763 GHz輻射計(jì)，其中150，183 GHz輻射計(jì)已應(yīng)用于風(fēng)云三號衛(wèi)星中。但對更高頻段874 GHz的研究相對較少，為獲得更精確的冰云粒子相關(guān)參數(shù)，如尺寸、形狀、粒子濃度、冰水含量等，需要研制更高頻段的太赫茲冰云探測儀[5]。

立方體納衛(wèi)星(Cubesat)是近年來納衛(wèi)星領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。立方體納衛(wèi)星的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢在于其發(fā)射接口標(biāo)準(zhǔn)、制造和發(fā)射成本低廉。3U立方體納衛(wèi)星3年內(nèi)的設(shè)計(jì)、建造、發(fā)射和管理費(fèi)用少于100萬美元[6]，能滿足大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司培養(yǎng)航天人才、低成本開展空間科學(xué)研究和探索新技術(shù)、新器件航天應(yīng)用的需求，且基于Cubesat平臺(tái)星間組網(wǎng)可降低觀測間隔時(shí)間，減少觀測盲區(qū)。

太赫茲頻段的波長小，天線、濾波器等器件尺寸小、功耗低，能適應(yīng)Cubesat平臺(tái)的特點(diǎn)，可利用平臺(tái)有限的資源完成冰云探測任務(wù)。基于以上論述，本文結(jié)合太赫茲冰云探測和Cubesat平臺(tái)的優(yōu)勢，分析了874 GHz頻段在冰云探測方面的優(yōu)點(diǎn)，確定了冰云探測儀的工作頻段和整機(jī)關(guān)鍵指標(biāo)。

針對Cubesat平臺(tái)資源有限的問題，冰云探測儀設(shè)計(jì)必須優(yōu)化。本設(shè)計(jì)使用全功率型輻射計(jì)體制簡化接收鏈路，使用介質(zhì)諧振器(DRO)作為本振(LO)源簡化本振鏈路。在進(jìn)行鏈路ADS(advanced design system)仿真時(shí)結(jié)合太赫茲半導(dǎo)體廠商的器件指標(biāo)，增強(qiáng)了可實(shí)現(xiàn)性。最后仿真結(jié)果既可滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，又可滿足冰云探測需求，對冰云探測向更高的太赫茲頻段發(fā)展起到了一定的推動(dòng)作用。

1 太赫茲冰云探測儀設(shè)計(jì)原理

1.1 太赫茲頻段的選擇及整機(jī)指標(biāo)確定

研制冰云探測儀的首要問題是通道選擇。需要研究大氣冰云粒子的輻射特性，分析粒子的大小、分布等特性所導(dǎo)致的在不同頻段的極化差異，以及與卷云參數(shù)間的關(guān)系。通道的選擇不僅與冰云粒子輻射相關(guān)，同時(shí)也應(yīng)考慮通道對水汽氧氣的吸收特性，及硬件技術(shù)在相關(guān)頻段的發(fā)展情況所能達(dá)到的最佳靈敏度。同時(shí)中心頻點(diǎn)的選擇要確保在中心頻點(diǎn)兩側(cè)有相似的輻射特性。

如圖1所示，大氣波譜中共有以下幾個(gè)頻段可以觀測冰晶粒子的特性，分別為118，183，220，380，425，643，874 GHz[5]。874 GHz波段是其中的一個(gè)關(guān)鍵通道，874 GHz屬窗區(qū)通道，利用窗區(qū)通道大氣透過率高的特點(diǎn)，探測近地表大氣參數(shù)，且874 GHz中心頻點(diǎn)左右的大氣波譜較對稱，可提供一個(gè)大的通道帶寬，以提升冰云探測儀的靈敏度。因此，874 GHz波段對稀薄卷云的探測靈敏性較高，且具有較高的分辨率，對冰云的研究具有非常重要的意義?；谳椛溆?jì)關(guān)鍵指標(biāo)靈敏度的考慮，874 GHz冰云探測儀的推薦中心頻點(diǎn)為874.38 GHz，帶寬為5 GHz以上[5]。根據(jù)實(shí)際硬件情況，確定設(shè)計(jì)中心頻點(diǎn)為874.38 GHz，帶寬為24 GHz，參照國際輻射計(jì)指標(biāo)及中科院空間中心、上海航天技術(shù)研究院等國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對冰云探測儀的建議，得到的推薦指標(biāo)如表1所示[5,7-8]。

表1 874 GHz冰云探測儀推薦指標(biāo)

1.2 874 GHz冰云探測儀體制選擇

冰云探測儀通常使用被動(dòng)接收設(shè)備(輻射計(jì))實(shí)現(xiàn)。輻射計(jì)常用類型有全功率型輻射計(jì)和迪克型輻射計(jì)。相對迪克型輻射計(jì)，全功率型輻射計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,占用星上平臺(tái)空間、功耗等資源少,可靠性高，在太赫茲頻段易實(shí)現(xiàn)，能避免迪克型輻射計(jì)開關(guān)單元帶來的誤差，且能在全部積分時(shí)間內(nèi)檢測待測目標(biāo)。但全功率輻射計(jì)靈敏度易受增益起伏影響，然而以現(xiàn)在的器件發(fā)展水平，系統(tǒng)增益起伏可做到ΔG/G<10-4，增益起伏的干擾基本可忽略[9-10]。為滿足立方體納衛(wèi)星平臺(tái)的體積和功耗需求,選擇全功率輻射計(jì)體制的輻射計(jì)，主要由天線子系統(tǒng)、接收機(jī)子系統(tǒng)、定標(biāo)子系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成。按照Cubesat平臺(tái)400 km軌道預(yù)估，天線的增益為34 dB，3 dB波束寬度為3.58°，在874 GHz頻段使用喇叭天線即可滿足指標(biāo)[11]，設(shè)計(jì)難度相對較小。信號處理子系統(tǒng)用于對輻射計(jì)下變頻檢波積分后的信號做模數(shù)(AD)采樣處理，用于后續(xù)測試量溫的反演并配合平臺(tái)完成測試數(shù)據(jù)下傳、測試控制、溫度補(bǔ)償、設(shè)備監(jiān)控等功能，信號處理系統(tǒng)的功能在低頻段輻射計(jì)上已經(jīng)非常成熟。定標(biāo)系統(tǒng)的作用是保證觀測數(shù)據(jù)的精度，通常在輻射計(jì)內(nèi)部使用黑體和冷空加以旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷空、可變溫度源和熱定標(biāo)源的測量，后經(jīng)算法反演。輻射計(jì)以上的3個(gè)子系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)和制作上都有一定的經(jīng)驗(yàn)，本文的側(cè)重點(diǎn)是874 GHz全功率型輻射計(jì)接收機(jī)設(shè)計(jì)，其接收機(jī)原理圖如圖2所示。

接收機(jī)為工作在常溫的超外差式輻射計(jì)，包括本振電路、混頻器、中頻(IF)放大濾波電路、檢波器、積分器等。通常為降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)(NF)，第1級為低噪聲放大器，但在874 GHz頻段，由于半導(dǎo)體工藝技術(shù)發(fā)展的限制，尚沒有874 GHz低噪聲放大器[12]，故鏈路第1級為太赫茲諧波混頻器。太赫茲諧波混頻器通常使用諧波混頻實(shí)現(xiàn)，分為多次諧波混頻和二次諧波混頻兩類，二次諧波混頻器有變頻損耗小的優(yōu)點(diǎn)。由于諧波混頻器的變頻損耗決定接收機(jī)的噪聲系數(shù)，為降低接收機(jī)噪聲系數(shù)，應(yīng)盡量選擇二次諧波混頻器。

1.3 指標(biāo)分解

1) 靈敏度。靈敏度是輻射計(jì)最重要的指標(biāo)，兩種誤差會(huì)影響全功率輻射計(jì)的靈敏度，一種為測量亮溫時(shí)系統(tǒng)噪聲引起的誤差，另一種為由系統(tǒng)增益變化ΔGS引起的誤差。

噪聲起伏導(dǎo)致的誤差是一個(gè)隨機(jī)的過程，噪聲功率變化為周期性變化。積分器同低通濾波器的作用類似，可平滑中頻檢波電壓V0中大于1/τ的頻率分量波紋。剩余誤差可表示為

(1)

式中：TA為天線口面噪聲溫度；TR為接收機(jī)噪聲溫度；B為接收機(jī)帶寬；τ為積分時(shí)間；ΔTN為系統(tǒng)噪聲引起的誤差。

第二種誤差由系統(tǒng)增益的變化ΔGS引起。分別由檢波前的射頻放大器、混頻器和中頻放大器引起。則因系統(tǒng)增益變化引起的誤差可表示為

(2)

式中：ΔGS為系統(tǒng)增益波動(dòng)；GS為系統(tǒng)增益。

輻射計(jì)總誤差即系統(tǒng)靈敏度ΔTmin，兩種誤差影響相互獨(dú)立，則輻射計(jì)總誤差可表示為

(3)

本設(shè)計(jì)中874 GHz冰云探測儀系統(tǒng)帶寬為24 GHz，ΔG/G<10-4，故式(3)中第2項(xiàng)對靈敏度的影響較小，提升系統(tǒng)靈敏度，關(guān)鍵是降低接收機(jī)自身噪聲溫度，即接收機(jī)的噪聲系數(shù)。設(shè)積分時(shí)間為1 s，為滿足接收機(jī)1.5 K的靈敏度，可得接收機(jī)噪聲系數(shù)應(yīng)小于51.6，即小于17.1 dB。

2) 檢測線性度。指標(biāo)主要與檢波器的線性度有關(guān)，根據(jù)現(xiàn)有半導(dǎo)體廠商的檢波器指標(biāo)，線性度可達(dá)0.99。

3) 鏈路增益分配及穩(wěn)定性考慮。檢波器在線性范圍的輸入功率至少為-50 dBm，接收鏈路增益應(yīng)大于40 dB，前端混頻器變頻損耗為15 dB，考慮實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)留有余量，中頻放大器的增益應(yīng)為60 dB以上。

經(jīng)以上分析，接收機(jī)具體技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 874 GHz接收機(jī)接收模塊指標(biāo)

2 仿真及結(jié)果分析

2.1 本振鏈路的設(shè)計(jì)

放大器的增益及輸出功率參考Analog Device等半導(dǎo)體廠商在相應(yīng)波段的芯片指標(biāo)和參數(shù)，倍頻鏈路參考VDI公司的太赫茲倍頻器指標(biāo)，借鑒國外874 GHz冰云探測儀鏈路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

本振鏈路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

1) 盡量簡化鏈路結(jié)構(gòu)和倍頻鏈路輸入源。874 GHz本振模塊由24.278 GHz的諧振器通過倍頻濾波電路實(shí)現(xiàn)混頻器所需頻率和功率。由鎖相環(huán)產(chǎn)生的24.278 GHz信號通常需使用更低頻率的基波信號倍頻產(chǎn)生或?qū)?4.278 GHz信號分頻進(jìn)入鑒相器鑒相。倍頻或分頻產(chǎn)生的諧波分量需增加濾波器使用量濾除，而低頻濾波器尺寸較大，會(huì)占用Cubesat平臺(tái)較多的空間，且基波頻率為12.139 GHz，靠近中頻頻率，靠濾波器抑制很難濾除，容易干擾中頻接收。由于DRO具有相位噪聲低、諧波數(shù)量少、無需數(shù)字SPI總線控制的優(yōu)點(diǎn)，能減少功耗和接收機(jī)體積，因此本設(shè)計(jì)采用DRO輸出24.278 GHz的基波信號作為倍頻鏈路的輸入。

2) 因?yàn)镃ubesat平臺(tái)上提供的直流電源種類有限且能提供的最大功率也有限，選型時(shí)應(yīng)盡量減少直流電源使用種類，并注重減少器件功耗，如盡量選取高效放大器。

3) 倍頻鏈路的選擇要結(jié)合相應(yīng)頻段的倍頻效率和其倍頻輸入所能達(dá)到的最大功率，通常3倍頻的效率比2倍頻低，但2倍頻器的輸入頻率高，在2倍頻器輸入太赫茲波段較難達(dá)到需求的輸入功率。

4) 寬帶器件為達(dá)到目標(biāo)帶寬，輸出功率受限，效率變低，且有可能放大本振的其他諧波信號，會(huì)干擾測試，因此在選型時(shí)盡量選擇窄帶器件。

綜上所述，在ADS中建立本振鏈路，如圖3所示。鏈路選擇18倍頻方案，DRO產(chǎn)生的24.278 GHz信號經(jīng)預(yù)留增益調(diào)試衰減器后進(jìn)入濾波器，濾除DRO模塊內(nèi)產(chǎn)生的各次諧波，再經(jīng)過隔離器改善駐波后，信號進(jìn)入3倍頻器，頻率達(dá)72.834 GHz的信號經(jīng)功放放大到100 mW左右[13]后進(jìn)入最后的6倍頻鏈路，由于太赫茲高頻段的3倍頻的效率低于2倍頻，但輸入頻率低易達(dá)到較大的輸入功率，最后選擇了先2后3的方案，鏈路設(shè)計(jì)完成后仿真鏈路諧波平衡參數(shù)，仿真結(jié)果如圖4所示。

諧振器輸出功率為10 dBm的24.278 GHz信號，經(jīng)濾波抑制諧波后，再經(jīng)過3倍頻器得到頻率為72.834 GHz的信號VOUT1，3倍頻器輸出-1.8 dBm功率的信號VOUT2，如圖4(b)所示。放大信號后，得到信號VOUT3，如圖 4(c)所示，最后進(jìn)入6倍頻器，其中2倍頻的效率為35%，3倍頻效率為8%，總效率為2.8%，最后輸出功率為2.2 dBm，如圖 4(d)所示。本振源的輸出功率達(dá)到二次諧波混頻器的本振驅(qū)動(dòng)功率要求，且鏈路前端留有用于增益補(bǔ)償?shù)乃p網(wǎng)絡(luò)，可用于增益調(diào)整。

本振鏈路具體設(shè)計(jì)采用型號如表3所示。

2.2 接收變頻鏈路設(shè)計(jì)

混頻器選用雙邊帶混頻器改善接收機(jī)的噪聲系數(shù)。若混頻器在雙邊帶性質(zhì)基本一致，則雙邊帶混頻器相對于單邊帶混頻器噪聲系數(shù)改善3 dB。圖5給出了874 GHz接收的ADS鏈路仿真模型，混頻器的指標(biāo)參考了VDI Subharmonic Mixer相應(yīng)產(chǎn)品[14]，中頻放大器以及檢波器參考了Analog Device HMC-ALH444-Die[15]低噪聲放大器和Macom MA40215-120[16]檢波器芯片等相關(guān)產(chǎn)品指標(biāo)，此處放大器選用裸芯片的原因是塑封芯片不滿足苛刻的工作環(huán)境的要求，且使用裸芯片可縮小模塊尺寸，達(dá)到控制接收機(jī)體積的目的。

表3 本振模塊鏈路具體使用器件

天線接收信號直接進(jìn)入次諧波混頻器與本振混頻得到6～12 GHz中頻信號，變頻后的中頻信號經(jīng)低噪聲放大器放大，通過濾波器后再次放大，并通過衰減器得到輸出信號后進(jìn)入檢波器，再經(jīng)積分處理，將輸出信號傳給信號處理子系統(tǒng)處理和反演。

中頻增益太大易導(dǎo)致鏈路不穩(wěn)定和中頻放大器增益平坦度惡化，故在設(shè)計(jì)鏈路時(shí)在放大器級間加入3 dB衰減器，以增強(qiáng)鏈路穩(wěn)定性并預(yù)留調(diào)試余量，加入6 dB衰減器是為幅度均衡器預(yù)留位置，方便實(shí)際設(shè)計(jì)中優(yōu)化平坦度。

輸入信號功率設(shè)為-60 dBm時(shí)，分析鏈路BUDGET，仿真結(jié)果如圖6所示。

通過仿真結(jié)果可見，最終結(jié)果得到了14.545 dB的鏈路噪聲系數(shù)(等效噪聲溫度為3 915 K)，50 dB的鏈路增益；輸出信號功率為-10.5 dBm，能進(jìn)入檢波器的線性檢波范圍，仿真數(shù)值符合指標(biāo)要求。接收變頻鏈路具體設(shè)計(jì)采用型號如表4所示。

3 結(jié)束語

本文介紹了冰云對于大氣探測的重要作用，分析了太赫茲頻段冰云探測的優(yōu)勢和意義。Cubesat平臺(tái)具有體積小、功耗低、成本低、研發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但對載荷的體積功耗有嚴(yán)格限制。本設(shè)計(jì)使用全功率型冰云探測儀以適應(yīng)平臺(tái)，依據(jù)現(xiàn)有研究情況，確定了874 GHz冰云探測儀的指標(biāo)和其射頻鏈路部分的具體工作參數(shù)。針對應(yīng)用需求及平臺(tái)的供電和體積限制，接收機(jī)鏈路設(shè)計(jì)在保證指標(biāo)的前提下盡量少用器件，減少電源種類，使其適應(yīng)Cubesat平臺(tái)。在完成鏈路器件選型后利用ADS仿真軟件，驗(yàn)證分析874 GHz頻段接收機(jī)的鏈路設(shè)計(jì)。從仿真結(jié)果可見：在僅使用+5，-15 V兩組直流電源的情況下完成了器件指標(biāo)選型和鏈路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)指標(biāo)能滿足目標(biāo)性能參數(shù)，可作為冰云874 GHz冰云探測儀的接收機(jī)鏈路使用。而通常在實(shí)際情況下，半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)的半導(dǎo)體器件或者模塊的參數(shù)與指標(biāo)標(biāo)稱參數(shù)有一定差異，如放大器增益、駐波、飽和輸出功率等都會(huì)有一定偏差。設(shè)計(jì)鏈路時(shí)考慮到這種情況，在鏈路仿真時(shí)留出一定的鏈路增益預(yù)算用于實(shí)際調(diào)試，在駐波性能較差的功率放大器前加入隔離器來增強(qiáng)匹配，同時(shí)在鏈路中也預(yù)留了幅度均衡器為調(diào)整中頻帶寬的增益平坦度。本文設(shè)計(jì)雖然以仿真為主，但在鏈路分析和選型設(shè)計(jì)時(shí)借鑒了大量射頻工程經(jīng)驗(yàn)，具有一定的工程意義，為后期874 GHz冰云探測儀的工程化作鋪墊。

表4 接收鏈路具體使用器件

Cubesat平臺(tái)能提供給載荷的空間十分有限，故在較小空間內(nèi)擺放所有器件并防止信號串?dāng)_，是以后工作的重點(diǎn)。同時(shí)需根據(jù)實(shí)際測試情況不斷調(diào)整鏈路參數(shù)。

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