GEO移動通信衛星合成多波束天線仿真分析

肖永軒 薛 永 曾小金

(中國空間技術研究院,北京 100094)

1 引言

衛星天線技術的發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展到復雜的對一定地理區域賦形覆蓋的多波束或點波束天線;模擬波束形成技術向數字波束形成和光學波束形成技術發展;天線結構也開始向大型或超大型可展開結構、低剖面的共形結構和與射頻前端集成的微型結構發展。其中,如圖1[2]所示的衛星多波束天線目前已成為提高衛星通信性能、降低系統成本的一項關鍵性技術。多波束天線可以使原先的全球波束或者區域波束的大面積覆蓋變為由數十個甚至上百個點波束構成的地面“足跡”,從而大大增加了衛星發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因數(G/T)值。這將使地面終端可以采用較小口徑的天線實現高速率數據傳輸,支持衛星移動通信和寬帶通信業務。多波束天線還可根據需要產生掃描波束,進行波束的重新組合,從而使系統具有很大的靈活性。同時,多波束天線可以進行有效的極化隔離和空間隔離,實現頻譜復用,從而使通信容量成倍增加。

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

本文主要針對GEO 移動通信衛星的多波束天線進行仿真,使用GRASP、POS 軟件中的物理光學(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,優化了天線系統的設計參數,改善了波束間的隔離度指標。

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,其方向圖函數為

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

當需要在不同的方向合成多個主波束,可以用多組加權系數對數組進行加權,每組加權系數在某個指定方向合成多波束,空間方向圖為各組加權系數產生的方向圖的合成。如果產生p 個波束,則方向圖函數為

對于合成多波束的加權系數,可以利用數字處理或模擬電路的方式來具體實現,數字處理的方式即為數字波束成形,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體,散射場就由反射面表面感應電流產生。對非理想導體的表面,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生。散射的分析可以分為三個步驟:

1)計算表面感應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對非理想導體的散射體無效。PTD 是PO 的引伸,其實質是對PO 近似的修正。PO 光學中散射體表面的感應電流是按照幾何光學的方法近似求得的。顯然,面電流的幾何近似只是在散射體被照亮的區域才準確,而在光滑凸曲面上被遮擋部分上,用幾何光學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

衛星多波束天線技術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,設計反射面天線幾何尺寸,饋源及饋源陣列排布,優化天線增益,從而優化天線系統的設計參數,進一步通過設計饋源陣列權值,增加波束間的隔離度指標,提升系統通信性能。

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,進一步天線反射面經過優化后,參數選為,電氣投影口徑12 500mm,結構口徑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。

當天線參數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,要實現需要的波束交疊電平,饋源口徑應為1λ左右,進一步優化,微帶天線形式饋源如圖3 所示[8],結構為雙層結構,上部分為微帶貼片圓極化天線,下部分為饋電網絡,通過介質支撐固定上層貼片,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,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,排布應滿足子波束(饋源輻射反射面,未經波束成形分別直接生成的波束,即一個饋源對應一個子波束)覆蓋服務區,子波束采用六角柵格排列,子波束這種排列可以減少服務區電平的起伏,進一步減小合成多波束在服務區內的電平起伏。因此,饋源陣列的排布如圖6 所示,方向余弦(UV)坐標系下的對應饋源陣列子波束覆蓋如圖7所示,圖中標示為子波束邊緣(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

對應每個合成波束,分別優化圖6 中的饋源陣列的權系數[9-10],如圖8 所示可以得到UV 坐標系的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)

經過優化后,可以進一步分析全色復用情況 UV 坐標系下的載干比(C/I),如圖9所示,在合成波束對應區域內,C/I 大部分優于-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 結論

衛星多波束天線目前已成為提高衛星通信性能、降低系統成本的一項關鍵性技術。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,具有更高的天線增益,提高了整體系統性能。本文主要針對G EO 移動通信衛星星上多波束天線波束成形技術,研究了衛星多波束對地覆蓋、點波束天線增益以及波束間干擾抑制技術,利用GRASP、POS 等工具軟件進行了天線仿真分析,可以優化天線系統的設計參數,改善波束間的隔離度指標,提高系統通信性能和局部地區的信道容量。

盡管該天線已滿足系統要求,但對于部分C/I低于-5dB 的區域,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,同時進一步優化陣列排布,最大限度內消除覆蓋區內子波束及合成波束的電平起伏。

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