肖永軒 薛 永 曾小金

(中國空間技術(shù)研究院,北京 100094)

1 引言

衛(wèi)星天線技術(shù)的發(fā)展特征可以簡單概括為[1-2]:從簡單的全球覆蓋的單波束天線發(fā)展到復(fù)雜的對一定地理區(qū)域賦形覆蓋的多波束或點波束天線;模擬波束形成技術(shù)向數(shù)字波束形成和光學(xué)波束形成技術(shù)發(fā)展;天線結(jié)構(gòu)也開始向大型或超大型可展開結(jié)構(gòu)、低剖面的共形結(jié)構(gòu)和與射頻前端集成的微型結(jié)構(gòu)發(fā)展。其中,如圖1[2]所示的衛(wèi)星多波束天線目前已成為提高衛(wèi)星通信性能、降低系統(tǒng)成本的一項關(guān)鍵性技術(shù)。多波束天線可以使原先的全球波束或者區(qū)域波束的大面積覆蓋變?yōu)橛蓴?shù)十個甚至上百個點波束構(gòu)成的地面“足跡”,從而大大增加了衛(wèi)星發(fā)射時的等效全向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power,EIRP)和接收時的天線品質(zhì)因數(shù)(G/T)值。這將使地面終端可以采用較小口徑的天線實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸,支持衛(wèi)星移動通信和寬帶通信業(yè)務(wù)。多波束天線還可根據(jù)需要產(chǎn)生掃描波束,進行波束的重新組合,從而使系統(tǒng)具有很大的靈活性。同時,多波束天線可以進行有效的極化隔離和空間隔離,實現(xiàn)頻譜復(fù)用,從而使通信容量成倍增加。

圖1 衛(wèi)星多波束覆蓋立體示意圖Fig.1 S tereogram of satellite multi-beam footprint

近十年隨著移動通信業(yè)務(wù)、寬帶商用通信業(yè)務(wù)和軍用衛(wèi)星通信的發(fā)展,星載多波束天線技術(shù)受到各國的廣泛重視,發(fā)展迅速,并且成為國外下一代通信衛(wèi)星的發(fā)展方向,各國均開展了多波束衛(wèi)星的研制和相關(guān)技術(shù)攻關(guān),取得了突破性進展。GEO 移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)多采用大型空間可展開多波束天線技術(shù),提供足夠的EIRP 和G/T 值,實現(xiàn)地面移動終端與衛(wèi)星的通信,可滿足地面移動用戶終端與衛(wèi)星的鏈路通信需求。如美國波音衛(wèi)星系統(tǒng)公司(BSS)為阿拉伯聯(lián)合酋長國研制的先進的大型靜止軌道移動通信衛(wèi)星瑟拉亞-1(T huraya-1)[3],星上裝有直徑為12.25m 的L 頻段收發(fā)天線,結(jié)合數(shù)字信號處理器,形成數(shù)字多波束,產(chǎn)生250～300 個支持在軌重構(gòu)的點波束,支持移動手持終端,覆蓋了全球近1/3的區(qū)域。

本文主要針對GEO 移動通信衛(wèi)星的多波束天線進行仿真,使用GRASP、POS 軟件中的物理光學(xué)(PO)及物理繞射理論(PTD)算法,進行天線及饋源陣列的仿真分析,優(yōu)化了天線系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù),改善了波束間的隔離度指標(biāo)。

2 合成多波束的形成原理[4]

一個任意布陣的N 元天線陣,對于單波束而言,其方向圖函數(shù)為

式中ρi為第i 陣元的位置矢量;Wi為第i 陣元的復(fù)加權(quán)系數(shù);er(θ,φ)為輻射r 方向的單位向量。如果需要在(θd,φd)方向出現(xiàn)主波束,則使(θd,φd)方向最大或同相疊加的加權(quán)向量為

當(dāng)需要在不同的方向合成多個主波束,可以用多組加權(quán)系數(shù)對數(shù)組進行加權(quán),每組加權(quán)系數(shù)在某個指定方向合成多波束,空間方向圖為各組加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生的方向圖的合成。如果產(chǎn)生p 個波束,則方向圖函數(shù)為

對于合成多波束的加權(quán)系數(shù),可以利用數(shù)字處理或模擬電路的方式來具體實現(xiàn),數(shù)字處理的方式即為數(shù)字波束成形,模擬電路的方式即為模擬波束成形。

3 PO 及PT D 算法簡介[5-6]

散射的問題包含了入射場和反射場。要計算的總的電場表示為

其中EI是入射電場, ES是散射電場。如果反射體表面是理想導(dǎo)體,散射場就由反射面表面感應(yīng)電流產(chǎn)生。對非理想導(dǎo)體的表面,會計算出一系列的等效電磁表面電流,散射場就由這些電流產(chǎn)生。散射的分析可以分為三個步驟:

1)計算表面感應(yīng)電流或等效表面電流;

2)計算由這些電流輻射出的電場;

3)將入射電場和散射電場疊加得出總的電場。

PO 對散射場給出以下近似:

PO 電流對感應(yīng)電流的近似是建立在反射體源于一個無限大平面上的。因此對電流的邊緣特性,PO 并沒有模擬。PTD 考慮了真實感應(yīng)電流和PO電流的差距,是PO 電流的一個修正,所以實際的電場是PO 場與PTD 修正場的疊加。

PTD 對散射體亮區(qū)邊緣等效電流求積分。PTD 電場由入射場的方向決定,并且只有在散射體邊緣,入射場是平面波時,PTD 近似才有效。PTD對非理想導(dǎo)體的散射體無效。PTD 是PO 的引伸,其實質(zhì)是對PO 近似的修正。PO 光學(xué)中散射體表面的感應(yīng)電流是按照幾何光學(xué)的方法近似求得的。顯然,面電流的幾何近似只是在散射體被照亮的區(qū)域才準(zhǔn)確,而在光滑凸曲面上被遮擋部分上,用幾何光學(xué)近似求得面電流等于零。PTD 能夠處理典型的邊緣物體散射問題。

4 多波束天線仿真分析

衛(wèi)星多波束天線技術(shù)涉及天線子波束覆蓋增益,合成波束覆蓋增益,以及波束間干擾抑制的仿真。利用G RASP、POS 仿真分析軟件進行天線及饋源陣列的仿真分析,設(shè)計反射面天線幾何尺寸,饋源及饋源陣列排布,優(yōu)化天線增益,從而優(yōu)化天線系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù),進一步通過設(shè)計饋源陣列權(quán)值,增加波束間的隔離度指標(biāo),提升系統(tǒng)通信性能。

天線的反射面采用投影口徑12.5m,機械展開口徑為15.6m 的可展開天線系統(tǒng),進一步天線反射面經(jīng)過優(yōu)化后,參數(shù)選為,電氣投影口徑12 500mm,結(jié)構(gòu)口徑15 600mm, 焦距7 443mm, 中心偏置8 857mm,饋源偏角為41.5°,輻射半張角為34.3°,如圖2 所示,給出了天線反射面模型。

當(dāng)天線參數(shù)F/D(焦徑比)一定時,由單饋源形成單個波束的波束交接電平也就確定了[7]。按照文獻[7]中的方法,考慮天線的F/D ≈0.6,因此,要實現(xiàn)需要的波束交疊電平,饋源口徑應(yīng)為1λ左右,進一步優(yōu)化,微帶天線形式饋源如圖3 所示[8],結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu),上部分為微帶貼片圓極化天線,下部分為饋電網(wǎng)絡(luò),通過介質(zhì)支撐固定上層貼片,饋源口徑尺寸為135mm(≈0.9λ),考慮天線布局的緊湊性,饋源間距設(shè)定為150mm(≈1λ)。

圖2 天線反射面模型Fig.2 Antenna reflector model

考慮饋源的近場互耦效應(yīng),在該饋源模型周圍增加6 個相同饋源模型,如圖4 所示,這樣可以得到更為貼近實際的饋源方向圖,如圖5 所示,圖中數(shù)值較低的曲線為該饋源的交叉極化。

圖3 微帶天線饋源模型Fig.3 Microstrip antenna feed model

圖4 增加耦合效應(yīng)的微帶天線饋源模型Fig.4 Microstrip antenna feed model with coupling elements

圖5 增加耦合效應(yīng)的微帶天線饋源方向圖Fig.5 Pattern of microstrip antenna feed with coupling elements

使用64 個饋源,排布應(yīng)滿足子波束(饋源輻射反射面,未經(jīng)波束成形分別直接生成的波束,即一個饋源對應(yīng)一個子波束)覆蓋服務(wù)區(qū),子波束采用六角柵格排列,子波束這種排列可以減少服務(wù)區(qū)電平的起伏,進一步減小合成多波束在服務(wù)區(qū)內(nèi)的電平起伏。因此,饋源陣列的排布如圖6 所示,方向余弦(UV)坐標(biāo)系下的對應(yīng)饋源陣列子波束覆蓋如圖7所示,圖中標(biāo)示為子波束邊緣(EOC)增益為每個子波束最高增益下降3dB 位置。

圖6 饋源陣列排布Fig.6 Feed array topology

圖7 饋源陣列子波束覆蓋Fig.7 Sub-beam contours from feed array

對應(yīng)每個合成波束,分別優(yōu)化圖6 中的饋源陣列的權(quán)系數(shù)[9-10],如圖8 所示可以得到UV 坐標(biāo)系的115 個合成波束的42dB 等增益線的合成波束。

圖8 饋源采用微帶天線時的合成波束覆蓋圖(42dB 等增益線)Fig.8 Composite beam contours from microst rip antenna feed (42dB)

經(jīng)過優(yōu)化后,可以進一步分析全色復(fù)用情況 UV 坐標(biāo)系下的載干比(C/I),如圖9所示,在合成波束對應(yīng)區(qū)域內(nèi),C/I 大部分優(yōu)于-5dB。

圖9 饋源采用微帶天線時的合成波束C/I 圖(單位:dB)Fig.9 C/ I plot of com posite beams from microstrip antenna feed(unit:dB)

5 結(jié)論

衛(wèi)星多波束天線目前已成為提高衛(wèi)星通信性能、降低系統(tǒng)成本的一項關(guān)鍵性技術(shù)。大天線反射面及多饋源組成的空間可展開多波束天線系統(tǒng),具有更高的天線增益,提高了整體系統(tǒng)性能。本文主要針對G EO 移動通信衛(wèi)星星上多波束天線波束成形技術(shù),研究了衛(wèi)星多波束對地覆蓋、點波束天線增益以及波束間干擾抑制技術(shù),利用GRASP、POS 等工具軟件進行了天線仿真分析,可以優(yōu)化天線系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù),改善波束間的隔離度指標(biāo),提高系統(tǒng)通信性能和局部地區(qū)的信道容量。

盡管該天線已滿足系統(tǒng)要求,但對于部分C/I低于-5dB 的區(qū)域,下一步的工作將嘗試其它饋源形式來降低子波束及合成波束的旁瓣電平,同時進一步優(yōu)化陣列排布,最大限度內(nèi)消除覆蓋區(qū)內(nèi)子波束及合成波束的電平起伏。

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