便攜式衛(wèi)星終端全空域共形數(shù)字陣列設(shè)計(jì)

王鐵丹，陳　樂(lè)，唐偉峰，陳望杰，李　磊，孫　昊，李國(guó)平

(中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

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便攜式衛(wèi)星終端全空域共形數(shù)字陣列設(shè)計(jì)

王鐵丹，陳樂(lè)，唐偉峰，陳望杰，李磊，孫昊，李國(guó)平

(中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

針對(duì)便攜式衛(wèi)星終端要求的全空域多目標(biāo)跟蹤能力，基于終端外形設(shè)計(jì)了一種圓臺(tái)結(jié)構(gòu)的共形陣列。該陣列由頂面的平面陣列和側(cè)面16條棱面圍成的臺(tái)體構(gòu)成，頂部平面陣列產(chǎn)生的波束覆蓋上半空間的大仰角區(qū)域，側(cè)面的16條棱面則負(fù)責(zé)小仰角區(qū)域的波束覆蓋。與球面天線相比，圓臺(tái)陣列在工程實(shí)現(xiàn)和波束增益方面具有一定優(yōu)勢(shì)。分析了圓臺(tái)陣列在全空域的增益性能，并考慮到實(shí)際應(yīng)用中的遮擋效應(yīng)，對(duì)空域進(jìn)行了劃分，不同的空域使用圓臺(tái)不同方位的陣元進(jìn)行數(shù)字波束形成。理論分析和仿真結(jié)果表明，圓臺(tái)共形陣列全空域增益波動(dòng)較小，性能良好。

圓臺(tái)陣列；全空域；多波束；衛(wèi)星終端

0　引言

便攜式衛(wèi)星終端一般是為滿足特定需求而設(shè)計(jì)的，對(duì)成本、質(zhì)量、體積等有較為苛刻的要求。因此，便攜式衛(wèi)星終端的天線設(shè)計(jì)要滿足小型化、高增益、輕量化、低剖面、全空域覆蓋等需求。目前，便攜式衛(wèi)星終端天線主要有拋物面天線、平板陣列天線和相控陣天線。相控陣天線具有靈活的波束掃描功能,能夠產(chǎn)生同時(shí)多波束，可以快速捕獲和跟蹤多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，與拋物面天線和平板陣列天線相比具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，因此成為目前及將來(lái)衛(wèi)星通信終端的首要選擇模式。但單一的平面相控陣天線在低仰角掃描時(shí)增益惡化顯著，仰角小于15°時(shí)，增益惡化達(dá)到5dB以上，性能損失較大。

為了達(dá)到全空域掃描的目的，有學(xué)者將陣面進(jìn)行傾斜設(shè)計(jì)[1-5]，使天線單元與水平面成一定角度，但此時(shí)旁瓣相對(duì)較大；有學(xué)者利用球面等陣面進(jìn)行布陣設(shè)計(jì)，但球面陣列由于遮擋問(wèn)題，單一波束可用陣元較少，整體增益有所損失；有學(xué)者利用天線罩的折射效應(yīng)將全空域覆蓋波掃集中到一個(gè)小的空域范圍[6-7]，使平面陣列的有限范圍波束掃描折射至全空域覆蓋，但天線罩本身將帶來(lái)較大插損。本文提出一種基于圓臺(tái)陣列的共形數(shù)字陣列設(shè)計(jì)，并利用射頻微系統(tǒng)技術(shù)，在完成全空域覆蓋的同時(shí)，將衛(wèi)星終端微波通道及數(shù)字處理器件集成到陣列內(nèi)部，提升了系統(tǒng)空間利用率，縮小了便攜式衛(wèi)星終端體積。

1　陣列共形要求

為了減小設(shè)備體積，方案將天線、射頻通道及數(shù)字信號(hào)處理等組件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，全部集成到天線罩內(nèi)部，外觀如圖1所示。

圖4　陣列G/T值仿真結(jié)果

一體化接收分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示?？梢钥闯?，整個(gè)射頻集中于一體化接收分系統(tǒng)中，傳輸路徑短，線纜衰減??；可根據(jù)一體化分系統(tǒng)外型進(jìn)行三維共形設(shè)計(jì)，在縮小體積的同時(shí)滿足寬空域覆蓋的要求；可采用射頻微系統(tǒng)技術(shù)，研發(fā)專用射頻芯片，降低系統(tǒng)的功耗及體積，提高核心器件的自主可控水平。

圖2　一體化接收分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2　陣列設(shè)計(jì)

天線陣列必須考慮與一體化接收分系統(tǒng)共形的要求，同時(shí)考慮滿足波束俯仰覆蓋范圍為0°～75°內(nèi)的多址能力。一體化接收分系統(tǒng)方案采用三維共形陣列數(shù)字波束形成技術(shù)同時(shí)滿足以上2個(gè)需求，終端共形陣列如圖3所示，采用圓臺(tái)陣列設(shè)計(jì)。其中，圓臺(tái)頂部共12個(gè)陣元，其中包含一個(gè)BD/GPS天線，側(cè)面為16條棱線，每條棱線布置2個(gè)陣元，合路后進(jìn)行數(shù)字波束形成。

圖3　陣列設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)的主要指標(biāo)是系統(tǒng)的G/T值，該值是系統(tǒng)的增益與噪聲的比值。由于終端為圓臺(tái)共形陣列設(shè)計(jì)，因此陣列存在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱特性(每旋轉(zhuǎn)45°后與原陣列相同)。仿真驗(yàn)證方位角為[0°,45°]、俯仰角為[0°,120°]的G/T值，假設(shè)通道噪聲系數(shù)為1dB，太陽(yáng)方向能量增益不大于0dB。G/T值與波束指向的關(guān)系如圖4所示。

取方位角為0°、30°時(shí)，陣列G/T值隨俯仰角變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5　陣列G/T值隨俯仰角變化仿真結(jié)果

從圖5可以看出，G/T值隨方位角變化程度不大，方位角為0°、30°時(shí)，兩條曲線基本重合。圖6為俯仰角為0°～75°時(shí)，G/T值隨方位角變化趨勢(shì)。圖6中曲線近似圓形，G/T值隨俯仰角增大而降低，俯仰角為0°時(shí)有最大G/T值為-5.52dB/K，俯仰角為75°時(shí)有最小G/T值為-8.95dB/K，均大于指標(biāo)要求。

圖6　陣列G/T值隨方位角變化仿真結(jié)果

系統(tǒng)幅相誤差對(duì)G/T的影響：幅相誤差的幅度抖動(dòng)服從標(biāo)準(zhǔn)差為0.31dB的高斯分布，相位誤差服從標(biāo)準(zhǔn)差為2.23°的高斯分布，進(jìn)行1000次蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)，幾個(gè)典型波束指向下，G/T值抖動(dòng)結(jié)果如圖7所示，G/T值最大抖動(dòng)為0.16dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7　G/T值受幅相誤差影響情況

系統(tǒng)幅相誤差對(duì)波束指向的影響：幅相誤差的幅度抖動(dòng)服從標(biāo)準(zhǔn)差為0.31dB的高斯分布，相位誤差服從標(biāo)準(zhǔn)差為2.23°的高斯分布，其對(duì)波束指向的影響的仿真結(jié)果如圖8所示，最大指向偏差為0.48°，滿足指向偏差設(shè)計(jì)要求。

圖8　陣列波束指向受幅相誤差影響情況

3　全空域波束預(yù)置設(shè)計(jì)

如圖9所示，將整個(gè)需要覆蓋的圓形空域拆分為多個(gè)正六邊形的覆蓋范圍，每個(gè)正六邊形對(duì)應(yīng)一個(gè)波束指向。目標(biāo)位于該正六邊形對(duì)應(yīng)的空域范圍內(nèi)時(shí)，即將波束指向該正六邊形中心，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入另一個(gè)正六邊形對(duì)應(yīng)的空域時(shí)，將波束指向進(jìn)行切換。1705個(gè)波束可覆蓋上述終端俯仰角為0°～75°的空域范圍。每個(gè)波束指向需要的加權(quán)值預(yù)先計(jì)算完成后存儲(chǔ)在便攜筆記本或者波束形成FPGA內(nèi)，待處理軟件計(jì)算出所需的波束指向后，直接取出加權(quán)值，無(wú)需再次計(jì)算，能有效提高衛(wèi)星的跟蹤速度。

圖9　波束覆蓋示意圖

4　結(jié)束語(yǔ)

便攜式衛(wèi)星終端采用圓臺(tái)共形陣列設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了全空域的波束覆蓋，不同入射角度的衛(wèi)星信號(hào)可通過(guò)選取不同的接收波束得到多信號(hào)的同時(shí)接收能力。同時(shí)，采用微系統(tǒng)技術(shù)將一體化接收分系統(tǒng)集成于天線罩內(nèi)部，大大減小了系統(tǒng)體積，滿足了便攜式終端的輕量化、小型化要求?！?/p>

[1]Manrique R, Torres R, Dominguez C, et al. Design and prototyping of a microstrip transmit-receive array antenna for mobile Ku-band satellite terminals[C]∥Proc. of European Conference on Antenna and Propagation, Barcelona, Spain, 2010.

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Design of digital array in full airspace for potable satellite terminal

Wang Tiedan， Chen Le， Tang Weifeng， Chen Wangjie， Li Lei， Sun Hao， Li Guoping

(No.8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

Aiming at the multi-target tracking performance in full airspace required by potable satellite terminal，a conformal array shaped as the circular stage body is designed on the outfit of the terminal. This array consists of planar array on the top and the stage body formed by 16 edged planes. The beam produced from the planar array on the top covers the high elevation area and the 16 edged planes cover the low elevation area. Compared with the spherical antenna, the circular stage body has certain advantages in engineer application and beam gain. The performance of beam gain in full airspace of the circular stage array is analyzed, with consideration of the covering effect in practice. It divides the airspace and different airspace produces the beam forming by the elements from different directions of the circular stage body. The theoretical analysis and simulation result proves the full airspace gain of the circular stage body is comparatively stable with good performance.

truncated cone array；full airspace；multi-beam；satellite terminal

2016-04-10；2016-05-17修回。

王鐵丹(1985-)，男，工程師，博士，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

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