卫星监测多波束天线技术研究

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蔡鸿昀,李思静,周 平(国家无线电监测中心深圳监测站,深圳 518120)

摘要:本文综述了三种主要形态的多波束天线,并分别给出其工作原理图,对三种基本多波束天线进行了性能比较。关键词:多波束天线;卫星监测;相控阵天线d o I:10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.08.026

中图分类号:TN82 文献标示码:A 文章编码:1672-7274(2017)08-0063-05

1 引言

多波束天线能实现一副天线同时接收多路信号的功能,在卫星监测中开始得到越来越广泛的应用。目前,多波束天线在星载天线上得到了较为广泛的运用,而地球站天线由于较高增益要求使用多波束天线的成本仍然较高,导致运用不够广泛。随着卫星数量的爆炸性增长,及天线成本的下降,未来多波束天线将是卫星监测天线的主流天线技术之一。

2 多波束天线

2.1 多波束天线的定义

多波束天线是指能产生多个高增益波束的天线,这些波束(称为元波束)可以合成一个或几个成形波束,以覆盖特定的空域。目前多波束天线主要有三种形态:透镜式、反射面式、相控阵式等三种 基本形式,此外,还有以相控阵作为反射面或透镜馈源的混合形式。

2.2 透镜式多波束天线

利用透镜把馈源所辐射的能量汇聚起来形成一个锐波束,当透镜焦点附近设置多个馈源时,便相应形成指向不同的多个元波束。其工作原理如图1所示。 作者简介:蔡鸿昀,本科,助理工程师,主要从事无线电监测、卫星干扰源上行站定位以及卫星监测设备维护工作,主要研究方向为卫星监测新技术、天线技术研究等。李思静,本科,工程师,主要从事无线电监测、短波监测定位以及卫星干扰源上行定位工作,主要研究方向为短波监测新技术、信号分析等。周 平,硕士研究生,工程师,主要从事无线电监测、卫星干扰源上行站定位工作,主要研究方向为卫星监测新技术、天线技术等。

由于馈源偏离透镜焦点会引起彗形像差而使旁瓣电平升高,馈源的偏焦角不能过大,但可适当组合多个喇叭组成馈源阵来压低波束的旁瓣电平。透镜天线的优点是天线结构非常简单,波束扫描的角度大;缺点是透镜介质对电磁波的损耗很大,难以做到很高的增益。

2.3 反射面多波束天线

反射面天线的特点是增益高,生产制造工艺成熟,成本低在卫星通信领域有着最广泛的应用。多波束反射面天线利用同一个反射面去接收多个馈源的照射,以此形成多个波束,每个波束的性能参数均由相应的馈源所决定,通过合理调整馈源的安装位置,就可以在不移动反射器的情况下将波束指向不同的目标范围。天线的波束由馈源数决定,不同位置的馈源接收或发射不同方向的波束。反射面的种类非常多,有旋转抛物面,球面等等,根据反射面数量的多少可以分为双反射面天线,单反射面天线等,为了克服馈源对反射面天线的遮挡效应,通常采用双反射面的方式,而单反射面的通常采用偏焦的方式来规避馈源遮挡的影响。一种简单的旋转抛物面天线的多波束原理图2所示。

为了提高天线增益,降低旁瓣和漏瓣的影响,反射式多波束天线的另一种形式为双反射面式,即卡塞格伦天线,其馈源方式仍然采用偏馈方式,以降低对天线有效口径的遮挡。其工作原理如图3所示。 2.4 相控阵多波束天线

相控阵天线由许多辐射元排阵构成,用波束形成网络向阵列单元激励所需的振幅和相位,以形成不同形状的成形波束。相控阵的最大优势就是实现波束操纵时没有旋转整个阵列的机械问题,省去了对伺服系统的大量维护工作,可对波束数目和形状进行灵活控制,并可控制波束作快速扫描;主要缺点是结构较复杂,造价昂贵。

2.4.1 数字波束成型技术

数字波束形成技术充分利用阵列天线所获取的空间信息,通过信号处理技术使波束获得超分辨率和低副瓣的性能,实现了波束的扫描、目标的跟踪以及空间干扰信号的零陷,其优越的性能在现代信号处理领域得到了越来越广泛地应用。在远场θ方向各天线阵元的电场合成场强E,如图4所示,易知,当Ψ =0时,E有最大值,对应的θ方向就是主瓣的方向,通过对各天线阵元按照一定的规律配置幅度值,就可以改变主瓣的尖锐度以及旁瓣的性能。这就是相控阵天线的简要工作原理。

公式(1)和公式(2)可知,当Ψ =0时,E有最大值,对应的θ方向就是主瓣的方向,通过对各天线

阵元按照一定的规律配置幅度值,就可以改变主瓣的尖锐度以及旁瓣的性能。数字波束成型示意图如图5所示。

相比于传统的波束成型技术,数字波束成型有非常明显的优势。传统波束成型技术需要非常复杂的馈电网络,用以调整辐射单元的增益和相位,得到的合适方向上的尖锐波束。但数字波束成型技术是在数字信号域调整幅度及相位,极大地降低实现难度。对射频端完全数字化以后,波束的操纵完全基于软件来实现,是一种基于软件无线电的方法。

2.5 三种多波束天线的性能比较

上述三类多波束天线是当前应用最广的多波束天线,其他类型的多波束天线均是基于上述三类天线的变形,如表1所示。

目前,多波束反射面的天线的应用最广,技术成熟度最高,透镜天线仅在一些小众领域有一些应用。相控阵天线是当今多波束领域最热门的领域, 是未来多波束天线未来发展的趋势所在,目前由于其造价非常高昂,在卫星地球站监测领域还查不到应用的先例。

3 用于卫星地球站监测的三种主流多波束天线的实现方案

3.1 反射面多波束天线

反射面多波束天线的实现方案是利用抛物面作为反射面,采用偏馈方式,在焦点平面上布置多个馈源喇叭天线来接收不同波束。实现原理如图6所示。

该型抛物面偏馈多波束天线是目前技术最成熟的多波束天线种类,其增益、天线表面精度等指标与同尺寸的卡塞格伦天线基本一致,其建造成本也与同尺寸的卡塞格伦天线基本相同,根据尺寸的不同,成本约为几百万元不等,随着馈源偏离焦点越大,天线的有效口径会呈现出衰减的特性,且旁瓣的性能也会恶化,所以该类多波束天线的波束范围一般左右不超过20度。成都西南电子技术研究所目前已研制出用于卫星监测的抛物面偏馈多波束天线。

3.2 反射面与馈源相控阵此类型多波束天线的主题结构与反射面多波束

天线基本一致,采用抛物面作为反射面,采用偏馈方式,在焦平面上设置馈源相控阵来产生不同的波束。原理如图7所示。

相控阵馈源的作用是产生多个不同的辐射(接收)波束,作用完全替代第一类方案中的多个喇叭馈源。馈源阵收到覆盖空间内的所有目标信号后,将射频信号数字化,然后再数字域对特定方向运用数字波束成型算法。馈源阵通过数字波束成型产生的波束增益与天线阵元数有关,一般将波束增益设计成等效于普通的馈源喇叭天线。在此方案中,馈源阵由两个独立的馈源阵组成,采用128个阵元天线, 64个天线阵元组成水平极化阵,用于接收水平极化信号, 64个天线阵元组成垂直极化阵,用于接收垂直极化信号。数字波束波束增益为20db左右。覆盖范围与第一类方案一致,为东西范围20度左右。相控阵馈源硬件结构如图8所示。 3.3 相控阵多波束天线

对于收发型相控阵多波束天线一般都要配置非常复杂的馈电网络,也就是波束成型网络,该网络在模拟信号领域在配置相位和幅度,从而形成特 定方向上的波束指向。由于地球站监测天线只收不发,因而可以采用数字波束成型技术,省略复杂的波束成型网络,直接在数字域进行波束合成,如图9所示。

各天线单元各自独立地采集信号,经下变频器到L频段以后,对中频信号进行数字化采样存到高速共享内存。波束形成并行计算阵列从共享高速内存中提取数字化的信号,在数字域按照需要进行移相和功率控制,在方位角上形成很窄的波束指向不同卫星,同时获得较高的天线增益。

由于波束形成是在采样完成后在数字域完成的,所以只要计算能力足够,观测弧段内所有卫星信号都能在数字域正常输出。相控阵天线硬件结构如图10所示。

基于天线阵的数字波束成型技术具有非常强大的功能和巨大的优越性,其增益只要阵元数足够均

可满足增益要求,其覆盖范围大于120度,缺点是造价过于高昂。以常见的13米卡塞格伦天线为例,其

增益约为56db,天线阵若要达到相同的增益,假设阵元天线采用半波振子天线,其增益以2.5db算,需要部署26万个天线单元,需要配置至少26万块宽带采集卡,经初步估算,单个天线阵的造价不少于30亿元。

4 相控阵多波束天线在卫星监测上的应用前景

基于数字波束成型技术在卫星监测中有如下优点:能够同时接收某一轨道弧段内多颗卫星的信号;能够将同时接收的多颗卫星的信号灵活快速切换,完全避免了机械转动可能带来的故障,大幅度节省时间;可以有效地节省天线资源,实现一个天线阵能同时用于不同的功能。

通过数字波束成型技术可以在天线阵可观测到的范围内任意调整波束的指向,来实现对一定范围内所有卫星的监测覆盖。如果天线阵元的带宽足够宽,还可实现对某个卫星频段的全频段信号监测。

因此,天线阵在数字波束成型技术的帮助下,理论上只要后台计算能力足够强大,可以短时间内对天线阵能监测到的所有卫星,及其星上所有的信号能全部“吞下”。深圳站卫星监测数字波束覆盖图如图11所示。

数字波束成型技术可以通过不同的波束来同时接收不同卫星的信号。因此,基于天线阵的数字波束成型技术可以通过一个天线阵即可实现双星定位,三星定位以及多时差线定位。相控阵多波束天线在卫星干扰源定位中的应用如图12所示。

5 结束语

多波束天线技术由于其独特的优势在卫星监测中有着很大的应用潜力,随着多波束技术尤其是数字波束成型技术的进步,多波束天线的性能将会高于传统的卡塞格伦反射面天线。技术的进步也会使电子硬件的成本急剧下降,当多波束天线的制造成本能与传统天线相近时,多波束天线将在卫星监测领域迎来爆炸式发展。在科学技术突飞猛进的今天,作为实现卫星通信的高效化和经济化的一种重要手段,多波束天线必然成为全球新一代卫星通信普遍采用的技术。■

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图5单个数字波束成型示意图

图10相控阵天线硬件结构图

图12相控阵多波束天线在卫星干扰源定位中的应用

图11深圳站卫星监测数字波束覆盖图

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