通信相控陣天線雙頻接收多波束設計*

程 宇潘 超

（1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)第五軍事代表室 武漢 430205）（2.武漢船舶通信研究所 武漢 430205）

1 引言

相控陣天線由于具備高增益、高功率以及定向窄波束的特點，大大增加了系統(tǒng)的覆蓋范圍，提升了系統(tǒng)的抗截獲能力，在雷達、通信、導航等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用［1～6］。其中，在無線通信領(lǐng)域，相控陣天線在分布式組網(wǎng)通信應用中，其多波束能力作為空分多址的技術(shù)基礎(chǔ)，可以構(gòu)建點對多點的多鏈路并行通信場景，從而有效地提升整個網(wǎng)絡的組網(wǎng)效率，降低網(wǎng)絡傳輸時延［7～9］。但多波束的空分多址能力受限于天線陣面的波束寬度，由相控陣天線的基本原理可知波束寬度越窄，空分能力越強，這要求更大的陣面口徑。

為了進一步提升通信相控陣天線的多波束能力，可在常規(guī)空分復用的基礎(chǔ)上，增加頻分復用能力，從而形成多維資源的聯(lián)合應用，基于此目的，本文基于數(shù)字相控陣天線，提出了一種雙頻接收多波束設計方法，并提出了雙頻多波束在分布式組網(wǎng)通信應用中的具體使用方法。

2 基于相控陣天線體制的通信系統(tǒng)

如圖1所示，基于相控陣天線體制的通信系統(tǒng)主要由信號處理與控制終端、相控陣天線、波束控制設備以及天線電源等設備組成。其中信號處理與控制終端主要實現(xiàn)通信波形、網(wǎng)絡協(xié)議以及系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等功能，相控陣天線主要實現(xiàn)信號的定向輻射與接收、射頻處理以及基帶數(shù)字化等功能，波束控制設備主要實現(xiàn)對相控陣天線波束指向的控制功能，天線電源向相控陣天線供電。

圖1 基于相控陣天線體制的通信系統(tǒng)

3 雙頻接收多波束設計方法

3.1 雙頻多波束接收相控陣天線設計

圖2展示了雙頻接收多波束相控陣天線的設計原理，主要由天線輻射陣面、數(shù)字TR組件以及數(shù)字波束合成模塊組成。其中天線輻射陣面主要實現(xiàn)射頻信號的輻射與接收，數(shù)字TR組件主要實現(xiàn)射頻前端處理、射頻信號功率分路、雙路混頻、雙路A/D、雙路數(shù)字下變頻等功能，數(shù)字波束合成模塊則包含兩個子模塊，分別實現(xiàn)兩個頻點下的數(shù)字多波束合成。

圖2 雙頻多波束相控陣天線原理

3.2 正交多波束設計

為了盡量減小多波束之間的信號干擾，一般采取正交的多波束實現(xiàn)方式，使得多個波束之間滿足相互正交的關(guān)系，即任意一個波束的主瓣位置均位于其他所有波束的零點位置上。本文采用線性約束最小方差（LCMV）［10～12］算法實現(xiàn)正交多波束，如圖3所示，設置陣元個數(shù)為16的均線線性陣，陣元間距為半波長，圖中展示了-40°、-25°、10°、45°正交四波束的波束方向圖。

圖3 正交四波束方向圖

3.3 多波束最小波束間隔選取

為了保證算法產(chǎn)生的多波束之間維持穩(wěn)健的正交特性，多波束最小波束間隔的選取至少要大于主瓣與第一零點的角度間隔。如圖4所示，對于陣元個數(shù)為16的均線線性陣，主瓣為45°時，左第1零點為35.6°，相互間隔為9.4°，因此需要將最小波束間隔設置為10°。如圖5所示，設置期望的波束1、波束2主瓣角度分別為35°和45°，此時算法獲得的波束1、波束2的實際指向分別為35.15°和44.82°，角度偏差不超過0.15°，同時正交零點位置也滿足要求。因此，綜上分析對于陣元個數(shù)為16的均線線性陣，需要將最小波束間隔設置為10°。

圖4 多波束最小波束間隔

圖5 正交多波束，波束1：35°，波束2：45°

4 雙頻接收多波束使用方法

在分布式組網(wǎng)通信中，各節(jié)點以定向波束進行配對通信，具備接收多波束能力的節(jié)點則可以構(gòu)建點對多點的配對通信場景。這里假設接收節(jié)點具備單頻點兩個波束，雙頻點4個波束的能力，且在本接收節(jié)點天線陣面覆蓋范圍內(nèi)最多存在4個其他發(fā)送節(jié)點，分析此場景下的雙頻接收多波束的分配使用方法，接收節(jié)點為了接收其他4個節(jié)點的數(shù)據(jù)，需要綜合利用空分、頻分、時分等多址接入方式。假設4個發(fā)送節(jié)點相對本節(jié)點的角度依次為θ1、θ2、θ3、θ4，雙頻點多波束的具體分配流程如下：

1）設置初始波束備選庫θb=［θ1、θ2、θ3、θ4］，首先為第1時隙下的通信對象進行波束選擇；

2）頻點1的波束選擇，選擇備選庫中的第一個角度作為頻點1的1號波束，并從波束備選庫中剔除θ1，更新備選庫。判斷備選庫，若備選庫依然存在備選角度，則執(zhí)行第3）步，若不存在，則結(jié)束波束分配流程；

3）在備選庫中選擇與頻點1的1號波束角度間隔大于10°的節(jié)點角度，若有滿足要求的節(jié)點角度，則選擇節(jié)點編號最小的那一個節(jié)點角度作為頻點1的2號波束，并將其從備選庫中剔除，更新備選庫。若沒有滿足要求的節(jié)點角度，則頻點1的2號波束空缺，備選庫維持不變。判斷備選庫，若備選庫依然存在備選角度，則執(zhí)行第4）步，若不存在，則結(jié)束波束分配流程；

4）頻點2的波束選擇，在備選庫中選擇第一個角度為頻點2的1號波束，并將該角度從備選庫中剔除，更新備選庫。判斷備選庫，若備選庫依然存在備選角度，則執(zhí)行第5）步，若不存在，則結(jié)束波束分配流程；

5）在備選庫中選擇與頻點2的1號波束角度間隔大于10°的節(jié)點角度，若有滿足要求的節(jié)點角度，則選擇節(jié)點編號最小的那一個節(jié)點角度作為頻點2的2號波束，并將其從備選庫中剔除，更新備選庫。更若沒有滿足要求的節(jié)點角度，則頻點2的2號波束空缺，備選庫維持不變。判斷備選庫，若備選庫依然存在備選角度，則執(zhí)行第6）步，若不存在，則結(jié)束波束分配流程；

6）為第2個時隙下的通信對象進行波束選擇，跳轉(zhuǎn)至第2）步執(zhí)行。

5 結(jié)語

本文基于數(shù)字相控陣天線，提出了一種雙頻接收多波束設計方法，并提出了雙頻多波束在分布式組網(wǎng)通信應用中的具體使用方法。該雙頻接收多波束相控陣天線的應用可以進一步提升通信系統(tǒng)的多波束能力，從而提升分布式組網(wǎng)的效率，為降低網(wǎng)絡傳輸時延提供技術(shù)途徑。