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1、航天器多路射频频谱自动监测系统设计 李宏亮 魏邦友 张亚非 彭超然 中国空间技术研究院载人航天总体部 摘 要： 为提高航天器测试时射频信号监测效率, 提出了一种航天器多路射频频谱自动监测系统;该系统由频谱分析仪进行射频信号频谱测量, 由微波开关切换矩阵进行不同射频信号通路切换, 通过自主设计的多路射频频谱自动监测软件对系统进行实时控制和数据读取, 实现了多达 15 路、50 MHz 3GHz 频率范围内射频信号的频谱自动监测;测试用时从原来 3min/信号通道减少至 10s/信号通道, 人力从2 人减少到 1 人, 有效地提高了航天器射频信号监测效率;该系统已应用于空间站工程测试中。关键词：
2、航天器; 多路射频; 频谱; 自动监测; 空间站; 作者简介：李宏亮 (1985-) , 男, 山西大同人, 硕士, 工程师, 主要从事载人航天器地面测试设备研制和综合测试工作方向的研究。收稿日期：2017-06-27Design of Spacecraft Multi-RF Electrical Spectrum Automatic Monitoring and Measuring SystemLi Hongliang Wei Bangyou Zhang Yafei Peng Chaoran Dept.of Manned Space System Engineering, Chinese A
3、cademy of Space Technology; Abstract： A spacecraft multi-RF electrical spectrum automatic monitoring and measuring system has been designed in order to improve the efficiency of spacecraft RF signals monitoring and measuring.RF spectrum is measured by the spectrum analyzer, and the different RF sign
4、al channels are switched by the microwave switch matrix equipment.A multi-RF spectrum automatic monitoring and measuring software has been developed to control the whole system and perform read-write operation of data.Automatic monitoring and measuring of 15 RF signal spectrums with frequency range
5、between 50 MHz and 3 GHz is implemented.The efficiency of spacecraft RF signal monitoring is improved significantly, with the time cost reducing from 3 min/channel to 10 s/channel and manpower saving from 2 to 1.This system has been applied in testing of Chinese space station.Keyword： spacecraft; mu
6、lti-RF; electrical spectrum; automatic monitoring and measuring; space station; Received： 2017-06-270 引言射频信号的监测在无线通信、信号广播、航天器测控等领域具有重要的意义, 通过信号的实时监测可迅速掌握系统状态。移动无线通信系统中的射频信号监测主要关注信号的功率补偿及检测精度1-2;搭载测控设备的舰船、广播电视基站等需要进行长时间连续射频信号监测的较大规模系统着重探索监测过程、数据记录的自动化3-5。不难发现, 利用计算机、通用化测试设备、软件技术等手段快速、准确地实现射频信号的自动监测,
7、是系统级射频测试的发展方向。随着航天器技术的不断发展、系统复杂性的日益提高, 航天器与地面测控系统间的测控与通信链路数量也日益增多。在航天器系统级测试中, 测控与通信链路是航天器与地面测控系统进行信息交互的主要通道, 链路中传输的射频信号的质量, 直接影响着航天器测试的有效性、准确性。本文提出了一种航天器多路射频频谱自动监测系统, 可以通过系统中软件与硬件的配合自动完成多路射频信号频谱的切换、测量、存储, 提高航天器测试中射频信号监测效率。1 系统总体结构及原理航天器多路射频信号频谱自动监测系统由以下设备组成:频谱分析仪、微波开关切换矩阵、控制计算机。射频信号通过天线或射频电缆, 经微波开关切
8、换矩阵的多个输入接口 (输入 1输入 N) 输入至矩阵内, 矩阵内部微波开关受控切换至特定通道, 输出至系统中的频谱分析仪进行射频信号频谱测量;控制计算机运行多路射频频谱自动监测软件, 与频谱分析仪、微波开关切换矩阵通过网络接口通信, 控制后两者响应相关指令并完成微波开关切换 (射频通道切换) 、测量参数调整等动作, 并进行数据读取、存储、记录测试日志等工作。系统组成如图 1 所示。图 1 多路射频信号频谱自动监测系统组成 下载原图航天器多路射频信号频谱自动监测系统的工作流程可概括为:1) 待测量的射频信号输入至微波开关切换矩阵;2) 微波开关切换矩阵由控制计算机程控进行通道切换;3) 射频信
9、号输出至频谱分析仪;4) 频谱分析仪由控制计算机程控进行参数测量;5) 控制计算机记录测量结果、系统运行状态。系统工作时, 按照流程 1) 5) 顺序循环往复, 对射频信号进行连续自动监视。2 系统硬件设计2.1 微波开关切换矩阵微波开关切换矩阵机箱设计为宽度 19、高度 3U 的标准结构, 对外全部射频接口均采用 Nf 型不锈钢接口, 内置具备程控功能的 2 个单刀六掷开关、1 个双刀双掷开关。在每个单刀六掷开关的其中一路输入端, 分别连接有 1 个 0二合路器和 0三合路器, 用于实现异频射频信号的合路输入, 合路器的输入、输出端均设置有隔离器, 以降低信号反射影响;在 2 个单刀六掷开关
10、的各路输入端口, 均设置有检波组件对射频信号进行功率连续采集。微波开关切换矩阵的原理如图 2 所示。图 2 微波开关切换矩阵原理图 下载原图矩阵机箱内各微波组件间以及组件与机箱前、后面板的射频连接器间均采用两端为 SMAm 连接器的半刚性电缆连接。半刚性电缆可三维成形, 在 3GHz 频段附近电缆损耗约 0.7dB/m。机箱内共使用半刚性电缆 20 根, 单根电缆最大长度不超过 40cm, 因此机箱内模块间射频信号在半钢性电缆内传输的功率损耗可忽略不计。微波组件安装在一块固定于机箱底板的镀锌钢板上, 按照机箱重心居中、可简单快速拆装单个组件或电缆的原则, 各组件安装时在空间上相互错开, 半刚性
11、电缆走向尽量互不干涉;微波组件底部为金属平面, 四角具有安装用通孔, 通过不锈钢紧固件与镀锌钢板连接。各个微波组件底面与镀锌钢板紧贴, 安装于机箱前后面板的射频连接器外壳经由半刚性射频电缆与微波组件的射频连接器壳体连通, 实现各个微波组件壳体、机箱面板上射频连接器之间共同接地。切换矩阵机箱的顶盖、底板、左侧板、右侧板均有散热孔, 保证机箱具备良好的散热能力。矩阵内的单刀六掷开关选用 Agilent 87106A (SP6T, option 24) , 双刀双掷开关选用 Agilent 87222C (Transfer Switch) , 二者均属磁保持同轴开关, 切换时间15ms, 可重复切换
12、寿命500 万次, 在 3GHz 隔离度100dB, 插损0.35dB。矩阵内的 0二合路器和 0三合路器均采用 Wilkinson 原理、微带线结构实现, 将两路或三路输入信号合成一路输出信号。采用 Wilkinson 方式实现的合路器具有如下特点:1) 各个输入端信号间具有隔离特性;2) 若输入信号间的相位差较小, 信号经合路输出后的功率差也较小。矩阵内的检波器件的检波功率准确度为0.5dB, 检波功率分辨率 20mV/dBm, 输入功率动态范围-40-5dBm。微波开关切换矩阵通过由 W77E58 单片机、外围电路 (放大器 AD620、模数转换器 AD574、驱动接口电路等) 组成的控
13、制模块实现对设备的控制。各个检波器输出的射频信号经过模拟选通通道后进入 AD620, 经过功率放大、调理, 进入AD574;单片机采集 AD 转换器转换后的数字信号, 通过网络接口送多路射频信号频谱自动监测软件进行处理。同时, 单片机还通过微波开关的驱动接口电路控制微波开关的切换, 并采集开关状态, 通过网络接口与多路射频信号频谱自动监测软件进行通信。控制模块原理如图 3 所示。图 3 微波开关切换矩阵控制模块原理图 下载原图控制模块中的驱动接口电路以 TTL 电平控制微波开关的切换, 其核心为74HC573 芯片和 74HC244 芯片。单片机通过 74HC573 芯片输出 TTL 高电平并
14、将其加载于微波开关的相应管脚上实现开关选通, 通过 74HC244 读取开关的返回状态。以 87106A 为例, 管脚 1 为直流电源供电端, 管脚 15 为接地端, 管脚3/5/7/9/11/13 对应 6 个选通路径, 管脚 4/6/8/10/12/14 为相应选通路径的电子位置指示器。需要选通开关的第一路时, 将 TTL 高电平加载至管脚 3, 并保持其它引脚的 TTL 电平均为低电平;需要切换其它通路时, 先将所有引脚的电平置为低, 再将高电平置于需要切换路径对应的引脚上。控制模块中选用的 AD620 是一款低成本高精度放大器, 放大倍数 110 000。AD574 是高速 12 位逐
15、次比较型 AD 转换器, 模拟电压输入范围 010V, 非线性误差1LSB, 电压采集精确度约为 10mV, 与检波组件配合, 可实现射频信号功率分辨率达到 0.5dBm。微波开关切换矩阵的对外通信接口为符合 IEEE 802.3100/1 000BASE-T 标准的RJ45 连接器, 控制模块中的单片机对网卡芯片进行读写, 可对网卡 IP 地址进行设置。选用 W5100 网络接口芯片作为网卡芯片与单片机通信。对芯片进行Socket 编程后, 可实现以太网数据通信功能。为保证网卡芯片与单片机的直流工作电压相匹配, 利用电平转换芯片对供电电压进行转换。2.2 频谱分析仪与控制计算机系统中的频谱分
16、析仪采用 Agilent 公司 PSA 系列产品 E4447A, 具备3Hz42.98GHz 的测量范围, 在 23GHz 频段的平均噪声电平可达-150dBm;用户界面友善, Agilent 公司提供了大量远程控制接口命令, 可方便地通过符合IEEE 802.3100/1000BASE-T 标准的网卡对仪器进行控制和操作。由于 Agilent公司的系列化产品的控制接口完全一致, 系统中的频谱分析仪同样可由 PSA 系列中的其它型号或 ESA 系列、ESA-L 系列中的型号替换, 这提升了本频谱监测系统的通用性。系统中的控制计算机采用 HP 公司 E8080 商用 PC 机, 配置 Core II 双核 CPU (主频 2.83GHz) , 4GB 内存, 网卡符合 IEEE 802.3 100/1000BASE-T 标准。经测试, 多路射频信号频谱自动监测软件运行时对系统资源占用很少 (CPU 占用率仅为 1%, 内存占用约为 12 MB) 。因此 CPU 主频 2GHz 以上、内存
