衛(wèi)星陣饋反射面賦形波束天線的內(nèi)積波束賦形方法

張亦希 張恒偉

（1.西安交通大學(xué)微波工程與光通信研究所，陜西 西安710049；2.63880部隊(duì)，河南 洛陽471003）

引 言

為了提高軌道資源、頻率資源的利用率，近年來衛(wèi)星天線已廣泛地采用了賦形波束天線技術(shù)。衛(wèi)星賦形波束天線與傳統(tǒng)的天線技術(shù)不同，它可以只在指定的、任意形狀的服務(wù)區(qū)域（如：在中國(guó)境內(nèi)）內(nèi)具有較高的增益，而在此區(qū)域以外則增益很低，因此它就具有許多傳統(tǒng)天線技術(shù)所沒有的優(yōu)點(diǎn)：1）可以有效減小來自鄰近衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾，從而提高衛(wèi)星軌道資源的利用率；2）可以提高天線的增益，從而提高衛(wèi)星功率的利用率；3）可以在不同的波束間對(duì)頻率進(jìn)行復(fù)用，從而提高頻率資源的利用率［1－4］。

圖1 衛(wèi)星陣饋反射面天線的組成

陣饋反射面天線因?yàn)榫哂畜w積小、重量輕，且能對(duì)方向圖進(jìn)行重新配置和對(duì)干擾進(jìn)行自適應(yīng)抑制等優(yōu)點(diǎn)，而成為一種較為常見的衛(wèi)星賦形波束天線形式。它主要由一個(gè)反射面天線、一個(gè)饋元陣以及一個(gè)波束成形網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1所示。反射面天線一般是拋物面天線或卡塞格倫天線，而饋元陣則通常由喇叭天線組成。饋元陣放在反射面天線的焦平面上，產(chǎn)生的波經(jīng)過反射面的反射會(huì)在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)形成一組形狀近似相同、均勻分布的點(diǎn)波束陣，波束成形網(wǎng)絡(luò)則通過調(diào)整各個(gè)饋元的激勵(lì)系數(shù)，來對(duì)這些點(diǎn)波束進(jìn)行加權(quán)、疊加，從而形成一個(gè)只覆蓋指定服務(wù)區(qū)域的賦形波束。同時(shí)陣饋反射面天線由于可以在工作過程中對(duì)各饋元的激勵(lì)系數(shù)進(jìn)行修改，所以可以對(duì)其方向圖進(jìn)行重新配置，對(duì)干擾進(jìn)行自適應(yīng)抑制。

波束賦形方法主要用來尋找一組饋元的最佳激勵(lì)系數(shù)，以使天線的方向圖成為人們需要的任意形狀。目前，雖然已有不少有效的賦形方法，如最小p乘法［5］、最小最大法［6］、線性約束最小方差（LCMV）方法［7］等。但這些傳統(tǒng)的賦形方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一些缺點(diǎn)。例如：最小p乘法和最小最大法是迭代算法，運(yùn)算效率很低。另外，這兩種算法和LCMV方法一樣，都是使賦形波束在某些方向上逼近目標(biāo)方向圖的采樣值，而這些采樣的數(shù)量由于受到天線自由度的限制一般都小于采樣定理所要求的數(shù)量，所能得到的賦形波束對(duì)目標(biāo)方向圖采樣的選擇十分敏感。為獲得滿意的賦形波束，這些傳統(tǒng)賦形方法往往需要對(duì)目標(biāo)方向圖采樣的數(shù)量和位置進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，實(shí)際應(yīng)用起來比較困難。因此，本文提出了一種基于內(nèi)積運(yùn)算的波束賦形方法。該方法是把目標(biāo)方向圖作為一個(gè)整體，使賦形波束與目標(biāo)方向圖在幾乎所有方向上的誤差總和最小，實(shí)際使用起來十分方便。同時(shí)它也是一種解析算法，具有較高的賦形精度和運(yùn)算效率。

1 理論分析

1.1 衛(wèi)星陣饋反射面賦形波束天線的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)衛(wèi)星陣饋反射面賦形波束天線的饋元陣共有N個(gè)饋元，且當(dāng)?shù)趎個(gè)饋元的激勵(lì)系數(shù)為1，其他饋元的激勵(lì)系數(shù)全部為零時(shí)，天線產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為fn（x1，x2），則當(dāng) N 個(gè)饋元的激勵(lì)系數(shù)分別為wn（n＝1，2，…，N）時(shí)，天線所產(chǎn)生的合成場(chǎng)f（x1，x2）為

式中x1，x2分別為觀察點(diǎn)的方位角和俯仰角［8－9］。fn（x1，x2）在天線幾何結(jié)構(gòu)已知的條件下，可用物理光學(xué)法來確定［10－11］。

對(duì)陣饋反射面天線進(jìn)行波束賦形，是要在目標(biāo)方向圖已知的情況下，求一組最佳激勵(lì)系數(shù)以使賦形波束與目標(biāo)方向圖間的誤差最小。陣饋反射面天線的波束賦形問題可以用數(shù)學(xué)方法表示為

式中：fd（x1，x2）為天線的期望場(chǎng)；｜·｜表示矢量的模值；‖·‖表示函數(shù)的范數(shù)。賦形誤差E的定義方法及最小值求法的不同，就形成了不同的波束賦形方法。

1.2 傳統(tǒng)的波束賦形方法

目前較為常用的波束賦形方法主要有最小p乘法、最小最大法和LCMV方法等。

對(duì)于最小p乘法，其賦形誤差定義為

以天線在K個(gè)采樣點(diǎn)處合成場(chǎng)與期望場(chǎng)間誤差的總和為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，用現(xiàn)有的優(yōu)化算法，如Fletcher－Powell算法，不斷地調(diào)整各饋元的激勵(lì)系數(shù)直到目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小。

對(duì)于最小最大法，其賦形誤差定義為

最小最大法通常用在要求賦形波束的最大旁瓣電平或者服務(wù)區(qū)域內(nèi)天線增益的最大起伏要小于某個(gè)值的場(chǎng)合。

對(duì)LCMV方法，其基本思想則是在保證天線在Km個(gè)方向（x1i，x2i）（i＝1，2，…，Km）上的合成場(chǎng)等于期望場(chǎng)的條件下，使天線的總輻射功率最小，即

約束條件

1.3 基于內(nèi)積運(yùn)算的波束賦形方法

由于，式（3）可以看成是誤差e（x1，x2）的范數(shù)，因此式（2）就可以看成是要在由N 個(gè)函數(shù)fn（x1，x2）所張成的線性空間中求fd（x1，x2）的最佳逼近。故e（x1，x2）必與這個(gè)線性空間fn（x1，x2）正交。于是，對(duì)任意整數(shù)m（1≤m≤N），對(duì)式（4）兩邊同時(shí)與fm（x1，x2）作內(nèi)積運(yùn)算，則有

式中＜·＞表示兩個(gè)函數(shù)間的內(nèi)積運(yùn)算。若賦形誤差E定義為

則式（10）的左邊為

式中＊表示復(fù)共軛。由于式（12）實(shí)際上僅是一個(gè)與m有關(guān)的常數(shù)，故可記作dm.同理式（10）的右邊也是一個(gè)僅與m和n都有關(guān)的常數(shù)，可記作cnm.于是，式（10）可重寫為

式（13）可寫為矩陣形式

式中：D＝［d1，d2，…，dN］T；W＝［w1，w2，…，wN］T；

因此，天線的最佳激勵(lì)系數(shù)就是方程（14）的解

由于每個(gè)點(diǎn)波束中心的位置各不相同，且間隔較大，各個(gè)點(diǎn)波束的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是近似正交的，矩陣C滿秩，方程（14）有唯一解。

2 仿真結(jié)果分析

以下對(duì)一個(gè)以中國(guó)本土為服務(wù)區(qū)域的衛(wèi)星陣饋反射面賦形波束天線，分別用最小p乘法、最小最大法、LCMV方法和內(nèi)積波束賦形方法進(jìn)行賦形，以驗(yàn)證這種基于內(nèi)積運(yùn)算的波束賦形方法的有效性和優(yōu)越性。天線的饋元陣選為饋元數(shù)為61的正六邊形陣。為了便于計(jì)算，fn（x1，x2）用D.Sonderogger等人所給的近似表示式來代替［12］，具體如下

式中：J1（u）是變量為u的第一類一階Bessel函數(shù)；da為天線有效口徑的直徑（單位：m）；η為天線的效率；f為工作頻率（單位：Hz）；c為光速（單位：m／s）；x1n和x2n分別為第n個(gè)波束中心的方位角和俯仰角（單位：（°））。在本例中，波束間隔選為0.85°，η＝0.25，f＝6GHz，da＝4.04m，此時(shí)點(diǎn)波束的寬度為0.85°.

圖2 最小p乘法得到的賦形波束方向圖

在相同情況下對(duì)中國(guó)本土用不同的賦形方法賦形后，所得到的賦形波束分別如圖2、4、6、8所示，各圖中的黑色粗線為中國(guó)本土的邊界線在衛(wèi)星視場(chǎng)內(nèi)的投影，六根黑色細(xì)線分別為天線的實(shí)際方向圖在－3dB、－5dB、－10dB、－15dB、－20dB和－30dB－30dB時(shí)的等高線。各賦形波束所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)方向圖采樣如圖3、5、7、9所示，各圖中o表示目標(biāo)方向圖在主瓣區(qū)域內(nèi)的采樣，而＊?jiǎng)t表示旁瓣區(qū)域內(nèi)的采樣。比較圖3、5、7、9可見：最小p乘法、最小最大法、LCMV方法由于都是優(yōu)化算法，故受到天線自由度的限制，只能采用數(shù)量較少、且位置不規(guī)則的采樣，為獲得滿意的賦形波束，天線設(shè)計(jì)人員往往需要對(duì)目標(biāo)方向圖采樣的數(shù)量和位置進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，實(shí)際應(yīng)用起來十分困難。而內(nèi)積方法由于可以選擇數(shù)量較多、位置規(guī)則的采樣，如圖9所示分布在正四邊形網(wǎng)格上的采樣，在這些采樣點(diǎn)上計(jì)算dm和cmn，由式（14）計(jì)算出最佳激勵(lì)系數(shù)，只要采樣點(diǎn)的密度滿足采樣定理的要求，即采樣點(diǎn)的密度應(yīng)大于目標(biāo)方向圖頻域帶寬的2倍，最佳激勵(lì)系數(shù)就可以使賦形波束與目標(biāo)方向圖在幾乎所有方向上的誤差總和最小，所以，內(nèi)積方法不用反復(fù)調(diào)整采樣點(diǎn)的數(shù)量和位置，就可以產(chǎn)生滿意的賦形結(jié)果。在本仿真中，三種傳統(tǒng)賦形方法在得到圖2、4、6中的賦形波束前，都對(duì)約束條件進(jìn)行幾十次甚至上百次的調(diào)整，而內(nèi)積方法則只運(yùn)行了一次就得到了圖8中的賦形波束。

圖3 最小p乘法的采樣點(diǎn)位置

同時(shí)，比較圖2、4、6、8可見，LCMV方法和內(nèi)積方法的賦形精度最高，遠(yuǎn)高于最小p乘法和最小最大法。同時(shí)這四種方法在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的運(yùn)行時(shí)間分別為：最小p乘法1.9min，最小最大法7.24min，LCMV方法為0.004 95min，內(nèi)積方法則為0.29min.因此，由于這種賦形方法和LCMV方法都是解析算法，故它們的運(yùn)算效率也遠(yuǎn)高于前兩種方法。

圖4 最小最大法得到的賦形波束方向圖

圖9 內(nèi)積法的采樣點(diǎn)位置

3 結(jié) 論

由以上分析可見：由于內(nèi)積賦形方法首先是一種解析法，因此它有較高的賦形精度和較快的運(yùn)算速度，同時(shí)它是把目標(biāo)方向圖作為一個(gè)整體，是使賦形波束與目標(biāo)方向圖在幾乎所有方向上誤差的總和最小，而不是在一些有限數(shù)量的采樣點(diǎn)上的誤差總和最小，所以不需要對(duì)選擇采樣點(diǎn)的數(shù)量和位置進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，實(shí)際使用起來十分方便。

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