一种用于黑障区测控通信的太赫兹无线收发系统的制作方法

本发明涉及无线通信技术，尤其是一种用于黑障区测控通信的太赫兹无线收发系统。

背景技术：

高速飞行器在临近空间飞行时，由于与大气层发生剧烈的摩擦和挤压，表面温度激增到三千开尔文以上，引起大气分子的电离，使大气分子中绕原子核运动的电子脱离原子核的束缚，形成自由电子，失去电子的大气分子形成带正电的离子。自由电子和离子在飞行器表面形成等离子体。此外，由于飞行器本身隔热材料在高温烧蚀下电离，周围电子浓度大幅度上升，形成包围飞行器的有一定厚度的等离子体，称为“等离子鞘套”。

等离子鞘套对电磁波信号具有极强的吸收效应，用于飞行器测控的电磁波信号由于被等离子鞘套的吸收、反射，使得飞行器与外界的信号传输质量下降，甚至完全中断，即所说的“黑障”现象。飞行器在临近空间飞行时出现黑障现象的区域被称为“黑障区”，在黑障区的传统微波测控手段无法解决信息传输的问题。

目前，克服黑障区无法进行信息传输的方法有以下几种：提高用于通信的无线电波载波频率，净化飞行器表面放热材料以减少烧蚀产生的等离子体，提高发射功率和接收机灵敏度，施加强磁场以改变等离子体的运动模式降低对电磁波产生的损耗，表面喷射亲电子材料以吸收电子，改善飞行器的气动外形，合理选择天线的窗口位置，数据记录待出黑障区后重发，落地后回收数据存储器等等。其中数据记录重发和存储器回收是目前主要采用的克服飞行区黑障区通信问题的手段。

技术实现要素：

本发明为克服上述技术缺陷，提出了一种用于黑障区测控通信的太赫兹无线收发系统，能有效减轻或消除了等离子鞘套对测控信号的吸收，实现测控信号对等立体鞘套的穿透能力。

一种用于黑障区测控通信的太赫兹无线收发系统，其特征在于：包括发射部分、接收部分、环形器、天馈系统和模拟对消电路，所述环形器和模拟对消电路位于发射部分和接收部分之间，环形器接天馈系统，发射部分将发射射频信号送入环形器，经过天馈系统向空间辐射，从发射部分末端定向耦合器耦合出来的部分发射射频信号经模拟对消电路进入接收部分；

按照信息的发送方向，发射部分依次包括符号映射模块、直接序列扩频（dsss）模块、成型滤波模块、数模转换器（dac）、i/q混频器、带通滤波器（bpf）、功率放大器（pa）、定向耦合器；所述定向耦合器将发射射频信号输出至环形器，经环形器后由天馈系统向空间辐射，从定向耦合器耦合出来的部分发射射频信号经过模拟对消电路进入到接收部分；

按照信息的接收方向，接收部分依次包括低噪声放大器（lna）、i/q混频器、模数转换器（adc）、匹配滤波模块、同步解扩模块、解调判决模块；从天馈系统接收到的测控信号经过环形器送入低噪声放大器；然后，低噪声放大器输出的信号与模拟对消电路输出的信号进行信号相加操作，得到对消后的接收信号再进行后续的数字信号处理；

所述太赫兹无线收发系统安装于飞行器上，飞行器表面安装有环状天线，形成具有环状的天线波束，称为环状波束。所述环状波束与飞行器的飞行方向呈固定夹角，这样可使飞行器在飞行过程中发生旋转时天线波束的特性保持不变。

等离子鞘套对电磁波的吸收效应存在一个截止频率，等离子鞘套对于高于截止频率的电磁波的吸收大幅下降。该截止频率的大小与等离子体的带电粒子浓度相关，浓度越高，截止频率越大；而带电粒子浓度又与飞行器的飞行速度相关。经研究，临近空间飞行器的等离子体截止频率一般都在300ghz以下，因此可以使用高于该截止频率的电磁波作为无线测控的信息传播载体，实现测控信号对等离子鞘套的穿透。利用上述原理，本发明所述太赫兹无线收发系统工作于300ghz以上的太赫兹频段，实现对等离子鞘套的穿透，实现测控信号的收发。

所述直接序列扩频模块的扩频倍数、成型滤波中的升采样倍数和滤波器滚降系数根据具体实践进行选择和设计。

所述发射部分设置有两个分别对应i、q两路数字基带信号的数模转换器，分别用于将i、q两路数字基带信号转换成对应的i、q两路模拟基带信号。

所述接收部分设置有两个模数转换器，用于将模拟基带信号换成i、q两路数字基带信号。

所述dac和adc的采样速率根据具体实践进行选择和设计。

所述太赫兹无线收发系统的合作测控收发机安装于合作的测控卫星（地球同步卫星）上，所述环状天线的增益最大点指向测控卫星天线；所述指向的角度根据与同步卫星的位置和角度关系计算得到，且不可调整，以保证较简单的天线设计架构，提高系统整体可靠性。

本发明为同频全双工工作方式，即在同一个物理频段内同时实现信息的无线收发。

所述发射部分按照发送方向的工作流程如下：首先，待发送的测控信息比特经过符号映射模块进行映射，获得i、q两路符号，实现比特到符号的转换；所述i、q两路符号经过直接序列扩频模块，对i、q两路符号进行扩频，得到i、q两路扩频符号；然后，对i、q两路扩频符号进行成型滤波（包括上采样），得到i、q两路数字基带信号；所述i、q两路数字基带信号送入dac得到i、q两路模拟基带信号；所述i、q两路模拟基带信号经过i/q混频器进行上变频，得到射频信号；所述射频信号经过带通滤波器、功率放大器和定向耦合器，得到发射射频信号，送入环形器；大部分发射射频信号的能量经过环形器后，进入天馈系统，并向空间辐射，少部分发射射频信号从定向耦合器耦合出来后经过模拟对消电路进入无线收发系统的接收部分。

所述发射射频信号在300ghz以上。

所述接收部分按照接收方向的工作流程如下：首先，从天馈系统接收到的测控信号经过环形器送入接收部分的lna；然后经过i/q混频器进行下变频，得到模拟基带信号；所述模拟基带信号经过adc得到i、q两路数字基带信号；所述i、q两路数字基带信号经过匹配滤波模块、同步解扩模块、解调判决模块依次进行数字信号处理，得到待提取的信息比特。

其中，所述模拟对消电路将定向耦合器耦合出的发射信号经过滤波、反向、放大等处理，在接收部分与接收信号相加，从接收信号中将环形器泄露的发射射频信号消除，达到增加收发隔离度的目的。因此，在接收部分的工作流程中，经过环形器的测控信号，可以先送入到lna，然后与模拟对消电路输出的信号进行信号相加操作，得到对消后的接收信号。或者在某些工程实践应用中，在接收部分的工作流程中，经过环形器的测控信号，可以先与模拟对消电路输出的信号进行信号相加操作，得到对消后的接收信号后，再进入lna，这是为了保护lna不至于受到过大的环形器泄露信号可能造成的损伤，所以将lna的位置置于求和操作之后。

本发明能有效减轻或消除等离子鞘套对测控信号的吸收，实现测控信号对等立体鞘套的穿透能力。本发明采用环状天线形成包围飞行器的环状波束，使天线波束不至于收到飞行器旋转运动的影响；采用直接序列扩频技术实现测控信号的扩频，以在接收信号处理中获得扩频增益，极大提高接收机的灵敏度，提高测控链路的连通性；本发明采用同频全双工架构，采用模拟对消电路实现测控信号在同一频段内的收发，提高频率利用效率。

附图说明

图1为本发明的使用场景示意图。

图2为本发明的架构示意图。

具体实施方式

本发明是一种用于黑障区测控通信的太赫兹无线收发系统，使用的场景如图1所示。当飞行器在大气层中飞行时，等离子鞘套会覆盖飞行器表面和周围，阻碍传统测控系统的信号传输。由于本系统工作于高于300ghz太赫兹频段，当飞行器上采用本收发系统后，由于工作的太赫兹频段明显高于等离子鞘套截止频率，因此可以有效减轻或消除了等离子鞘套对测控信号的吸收，实现测控信号对等立体鞘套的穿透能力。

本系统的工作频段在300ghz以上。如图2所示，本太赫兹无线收发系统，包括发射部分、接收部分、环形器、天馈系统和模拟对消电路，所述环形器和模拟对消电路位于发射部分和接收部分之间，环形器接天馈系统，发射部分将发射射频信号送入环形器，经过天馈系统向空间辐射，从发射部分末端定向耦合器耦合出来的部分发射射频信号经模拟对消电路进入接收部分；

按照信息的发送方向，发射部分依次包括符号映射模块、直接序列扩频（dsss）模块、成型滤波模块、数模转换器（dac）、i/q混频器、带通滤波器（bpf）、功率放大器（pa）、定向耦合器；所述定向耦合器将发射射频信号输出至环形器，经环形器后由天馈系统向空间辐射，从定向耦合器耦合出来的部分发射射频信号经过模拟对消电路进入到接收部分；

按照信息的接收方向，接收部分依次包括低噪声放大器（lna）、i/q混频器、模数转换器（adc）、匹配滤波模块、同步解扩模块、解调判决模块；从天馈系统接收到的测控信号经过环形器送入低噪声放大器；然后，低噪声放大器输出的信号与模拟对消电路输出的信号进行信号相加操作，得到对消后的接收信号再进行后续的数字信号处理；

所述太赫兹无线收发系统安装于飞行器上，飞行器表面安装有环状天线，形成具有环状的天线波束，称为环状波束。所述环状波束与飞行器的飞行方向呈固定夹角，这样可使飞行器在飞行过程中发生旋转时天线波束的特性保持不变。

等离子鞘套对电磁波的吸收效应存在一个截止频率，等离子鞘套对于高于截止频率的电磁波的吸收大幅下降。该截止频率的大小与等离子体的带电粒子浓度相关，浓度越高，截止频率越大；而带电粒子浓度又与飞行器的飞行速度相关。经研究，临近空间飞行器的等离子体截止频率一般都在300ghz以下，因此可以使用高于该截止频率的电磁波作为无线测控的信息传播载体，实现测控信号对等离子鞘套的穿透。利用上述原理，本发明所述太赫兹无线收发系统工作于高于300ghz的太赫兹频段，实现对等离子鞘套的穿透，实现测控信号的收发。

所述直接序列扩频模块的扩频倍数、成型滤波中的升采样倍数和滤波器滚降系数根据具体实践进行选择和设计。

所述发射部分设置有两个分别对应i、q两路数字基带信号的数模转换器，分别用于将i、q两路数字基带信号转换成对应的i、q两路模拟基带信号。

所述接收部分设置有两个模数转换器，用于将模拟基带信号换成i、q两路数字基带信号。

所述dac和adc的采样速率根据具体实践进行选择和设计。

所述太赫兹无线收发系统的合作测控收发机安装于合作的测控卫星（地球同步卫星）上，所述环状天线的增益最大点指向测控卫星天线；所述指向的角度根据与同步卫星的位置和角度关系计算得到，且不可调整，以保证较简单的天线设计架构，提高系统整体可靠性。

本发明为同频全双工工作方式，即在同一个物理频段内同时实现信息的无线收发。

所述发射部分按照发送方向的工作流程如下：首先，待发送的测控信息比特经过符号映射模块进行映射，获得i、q两路符号，实现比特到符号的转换；所述i、q两路符号经过直接序列扩频模块，对i、q两路符号进行扩频，得到i、q两路扩频符号；然后，对i、q两路扩频符号进行成型滤波（包括上采样），得到i、q两路数字基带信号；所述i、q两路数字基带信号送入dac得到i、q两路模拟基带信号；所述i、q两路模拟基带信号经过i/q混频器进行上变频，得到射频信号；所述射频信号经过带通滤波器、功率放大器和定向耦合器，得到发射射频信号，送入环形器；大部分发射射频信号的能量经过环形器后，进入天馈系统，并向空间辐射，少部分发射射频信号经过环形器后泄露到无线收发系统的接收部分。

所述发射射频信号在300ghz以上。

所述接收部分按照接收方向的工作流程如下：首先，从天馈系统接收到的测控信号（发射于合作的测控卫星）经过环形器送入接收部分的lna；然后经过i/q混频器进行下变频，得到模拟基带信号；所述模拟基带信号经过adc得到i、q两路数字基带信号；所述i、q两路数字基带信号经过匹配滤波模块、同步解扩模块、解调判决模块依次进行数字信号处理，得到待提取的信息比特。

其中，所述模拟对消电路将定向耦合器耦合出的发射信号经过滤波、反向、放大等处理，在接收部分与接收信号相加，从接收信号中将环形器泄露的发射射频信号消除，达到增加收发隔离度的目的。因此，在接收部分的工作流程中，经过环形器的测控信号，可以先送入到lna输出的信号，然后与模拟对消电路输出的信号进行信号相加操作，得到对消后的接收信号。或者在某些工程实践应用中，在接收部分的工作流程中，经过环形器的测控信号，可以先与模拟对消电路输出的信号进行信号相加操作，得到对消后的接收信号后，再进入lna，这是为了保护lna不至于受到过大的环形器泄露信号可能造成的损伤，所以将lna的位置置于求和操作之后。

因此，本系统和传统方案相比：

1.传统方案采用数据记录重发和存储器回收的手段实现黑障区的测控数据和信息收集，无法实现飞行器飞行状态数据的实时在线监控和控制指令下发。

而本系统可实现对黑障区飞行器状态数据的实时在线监控和控制指令下发。

2.本系统采用直接序列扩频技术，可在接收信号处理中获得扩频增益，极大提高接收机的灵敏度，提高了测控链路的连通性。

3.本系统采用同频全双工架构，采用模拟对消电路实现测控信号在同一频段内的收发，提高了频率利用效率。