美國第一代TDRSS多模天線分析

中國電子科技集團公司第五十四研究所 武 偉 韓國棟

美國第一代TDRSS多模天線分析

中國電子科技集團公司第五十四研究所 武 偉 韓國棟

針對美國第一代TDRSS衛星SMA天線，結合其星載系統所承載的能力，對SMA天線的性能指標以及天線排布、形式進行仿真模擬分析，仿真的結果顯示與文獻上給出的結果相吻合。本文研究的內容可為后續的我國類似工程的開展提供技術支持和借鑒。

TDRSS；SMA；非周期排布；螺旋天線

1 引言

TDRS是充分利用太空的高空資源,把地面的測控及通信站搬到空間地球靜止軌道的衛星上去。只要發射兩顆星,空間角位置上間距130度,便對所有軌道高度約1200公里至12000公里近地軌道飛行器可實現100%的連續跟蹤覆蓋,對軌道高度約200公里的飛行器,也可實現85%覆蓋。所有用戶飛行器、空間站核心站,可利用TDRSS中的任一顆進行雙工通信。地球站通過TDRSS可間接與用戶星建立通信鏈路,借助TDRSS的中繼,地球站可對各用戶星測軌定位,可大量裁減陸地測控站、測量船,同時也減少建設、維修和操作費用。

本文依據外文資料,擬針對美國第一代TDRS中繼系統中SMA的多模天線進行仿真分析,研究其功能實現,波束覆蓋等問題,為我國類似項目的開展提供一定的借鑒。

2 TDRS天線布局設計

TDRS衛星在工作時,用戶所使用的接收波束范圍,如圖1所示。

圖1 TDRS使用示意圖

可知,在TDRSS中繼星上相對于地球的視場范圍為：

TDRS相對于低軌衛星的視場為：

在上述公式中,由于數據信息為估算值,故采用了近似的角度。在實際計算時,可以根據衛星、地面站的具體位置給出較為精確的角度數值。另外比較重要的信息為衛星上天線的指向相對于地球上地面終端的角度,定義和分別表示天線的法向相對于地面接收站的角度,其中：

圖2 角度指示圖

TDRS的SMA天線可以同時提供用戶20個獨立的波束。該天線由30個螺旋天線組成,分別固定在天線陣列骨架的表面。如圖3所示。其中,30個單元接收的信號分別發射傳輸到地面獨立的接收信道,在地面接收終端中,將不同用戶的信息利用波束形成算法(利用30個單元和TDRS到用戶的相位相關性)分別提取出來,波束形成算法全部在地面接收終端中完成。值得注意的是,30個通道之間的相位關系必須精確求出,以便計算移相器的移相碼形成所需的接收波束。

需要說明的是,在這30個單元中,有12個單元為收發雙工,剩余的18個單元為接收。該陣列的波束指向為天頂,在進行布陣時,最大限度的考慮了天線單元之間的互耦,并也考慮了K頻段反射面天線對其的影響。天線單元增益為16dBi,重量6盎司。圖3中,綠色圓部分為螺旋天線,粉紅色的圓環為嵌入到陣列中的K頻段1.1米反射面天線。

圖4 模擬的單元方向圖

圖3 SMA天線單元排布

圖5 陣列合成兩維波瓣圖

圖6 陣列合成俯仰面波瓣

圖7 陣列合成方位面波瓣

在SMA陣列中,天線的排布并不是周期排列,而是每一個單元具有自己獨立的位置,與其他單元不相干。

3 性能分析

根據天線單元的位置關系,再輔以天線單元的方向圖就可以求出陣列的整體性能。在計算中,對天線單元的方向圖進行模擬設計,模擬的單元波瓣約為27度,單元增益大約16dB(如圖4所示)。

對陣列的合成波束進行仿真分析,首先計算SMA天線陣列30個單元合成時的法向波束,接著將會計算波束在指向白沙地面接收終端站時的性能,同時,還可計算出在陣中某一個單元的性能情況。

在計算時,考慮均勻的幅相分布,暫時不考慮幅相誤差,也沒有考慮陣中反射面天線對周圍天線性能的影響。此時陣列天線方位和俯仰面的波束寬度均大約為3度,陣面增益大約為30.5dB (如圖5-圖7所示)。

從目前TDRS第一代的相控陣的排布看,如果陣列要實現14度的掃描范圍,則其增益損失會比較嚴重,同時會引起柵瓣的產生,其波束指向精度會嚴重下降。此時天線增益下降大于3dB,在某些角度甚至出現更差的增益下降,同時柵瓣抬起,比主瓣方向性大5.5dB(如圖8-圖11所示)。

圖8 方位面掃描14度

圖9 方位面掃描14度二維波瓣

圖10 俯仰面掃描14度

圖11 俯仰面掃描14度二維波瓣

4 實物仿真分析

SMA陣列的天線單元為單繞螺旋天線,為左旋圓極化形式。在設計螺旋天線時,按照螺旋天線的設計原理,設頻率為2.2875GHz,首先假定天線單元的方向圖為：

則對于螺旋天線單元,上式中的x可以近似為：

則對于在法向時的天線輻射特性,遵照Hospital定理：

則在掃描角度內,天線的增益下降為：

依照前述的天線單元增益為16dB計算,則在半功率波束寬度時,天線單元的增益近似為13dB左右。

確定螺旋天線的環間距為S=16mm,環直徑為42mm,天線環數為39。仿真后天線單元的增益為16.1dB,波束寬度為26.8度。單元的形式與仿真后的波瓣圖,如圖12-圖14所示。

圖12 螺旋天線示意圖

圖13 單個螺旋天線以及輻射圖

圖14 左右旋圓極化信號比較

對天線單元進行組陣分析,利用現有的軟件進行實體建模,同時考慮在陣中有K波段反射面天線的放置時,對天線性能的影響。根據文獻資料可知,反射面天線直徑為1.1米,反射面深度為0.35米。

采用電磁仿真軟件對陣列法向輻射進行仿真,陣列的天線增益為30.4dB,與前期仿真的30.5dB吻合的非常好,方位面和俯仰面的波瓣圖也與前期的Matlab仿真結果吻合很好,且可以看出,在法向時,反射面天線對其影響較小,與前期不考慮反射面影響時幾乎一致,如圖15-圖16所示。

圖15 帶有反射面的天線陣列模擬圖

圖16 方位和俯仰面面法向波瓣圖

5 結論

本文對美國TDRS的成功范例SMA陣面設計方法、天線單元形式等進行了比較深入的剖析, 并對陣面排布進行編程仿真, 得到了相應的波瓣性能和指標, 與所得到的文獻中相關數據較好地吻合。希望結合國內己有的有關文獻能對我國類似的研制工作有所裨益和借鑒。

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