淺談DBF技術在衛星監測工作中的應用

周凌霄

（國家無線電監測中心云南監測站，云南 昆明 650000）

0 引言

近年來，低軌衛星互聯網發展勢頭迅猛，已逐步實現成熟的商業運營。然而，衛星互聯網運用在帶來全球信息互聯互通的同時，也隱藏著較大的國家無線電安全隱患，從無線電監測角度考慮，掌握互聯網衛星星座在我國境內的無線電覆蓋情況已經迫在眉睫。

隨著相控陣天線技術的逐漸成熟及生產成本的大幅下降，美國的SpaceX公司已經在其衛星星座starlink衛星天線及地面終端中大量使用了相控陣天線。因此，相控陣天線的應用對于衛星通信和衛星無線電監測將是未來的主要趨勢。

1 相控陣天線簡介

相控陣天線可以采用多種形式，最常見的有四種：一是有源電子掃描陣列（AESA），是目前商用的主要類型；二是無源相控陣（PESA），這種相控陣天線有著一定的成本優勢；三是混合束形成相控，目前國內部分廠家開始向這方面嘗試；四是數字波束形成（DBF）陣。

過去幾年中設計的大多數相控陣天線都使用模擬波束成形，這種類型相控陣天線每一個波束都需要一組A/D轉換器和波束形成器。但是，隨著數字處理技術的發展，數字波形成形技術被越來越多地關注，在DBF相控陣天線中，每一個天線陣元都配備一組A/D轉換器，其來波相位調制可集成在A/D轉換器中以數字的方式進行，因為這種結構上的特點，DBF相控陣天線可以實現非常多的波束，這種多波束的特性對于規模巨大的互聯網衛星有較好的監測切合性。

在選擇相控陣天線時，可以從應用場景來分析，根據需求來確定天線所需要的波束數量，能夠承擔的天線功耗及天線成本。數字波束成形方法通常每個天線單元都需要有一個數模轉換器，這會使得DBF天線具有較高的功耗，但這種特性使得DBF天線在構建多波束方面提供了很大的靈活性。所選用數模轉換器需要有不錯性能，這給DBF相控陣天線帶來了高成本的劣勢[1]。

對于模擬波束相控陣天線，由于無法對每個陣元進行數字化處理，所以模擬相控陣天線每增加一個波束就需要增加一個波束成形通道。因為這種結構上的特點，模擬相控陣天線每增加一個波束，天線的體積幾乎就會增大一倍；當然天線的功耗也隨著快速增加。由于電路設計的復雜性，目前模擬波束相控陣天線很難做到4波束以上。

現在國內市場上出現了一些模擬和數字結合的相控陣天線，利用模擬和數字方式的結合，可以減少數字相控陣天線的成本，同時使得多波束天線的體積不會增加得那么快，目前這是相關產品的一個主要方向。

2 DBF技術

對于數字波束形成（DBF）相控陣天線，在其陣列中每個元件都采用數字接收器或者激勵器，每個陣元采用的接收器或者激勵器將天線中每個陣元上接收到的模擬信號進行數字化處理[2]。將每個陣元收到的信號數字化處理之后，就可以在后端使用FPGA以數字的方式形成天線波束。通過這種方法，DBF技術可以使相控陣天線同時形成多個天線波束。

圖1 DBF相控陣天線波束圖

從相關資料中，我們可知DBF相控陣天線的原理如下：假設接收天線是一個有著N個陣元的均勻面陣列天線，通過數字多波束加成器，對N各陣元進行加權，根據使用者要求，對相同的數據改變不同的權重因子，以形成不同指向的波束，然后將波束內接收到的信號送后續處理單元。通過這種方式一個N陣元的DBF天線，理論上可以同時形成N-1個獨立的波束[3]。

圖2 DBF天線構造

3 DBF相控陣天線優勢

DBF相控陣天線對于無線電監測應用有許多的好處，首先，相對傳統拋物面天線相控陣天線普遍擁有快速波速成形、可靠性高及空間占用較小的優勢。其次，DBF技術能夠較為方便地合成許多不同指向的波束，相對于模擬相控陣天線，數字波束成形技術還有如下優勢。

（1）DBF技術是在A/D轉換之后的數字信息上對天線的幅度相位進行加權調整，而模擬波束成形是在模擬域上利用移相器和衰減器等器件進行，當模擬相控陣天線的波束數量增加時，硬件設備量將成倍增加，給安裝調試等帶來很大問題，這使得DBF相控陣天線在構型上實現多波束比模擬相控陣天線具有很大優勢。

（2）DBF相控陣天線通過FPGA控制能夠快速地實現對不同形狀、方向和數量的波束成形，只需程序控制即可改變天線的波束，能夠相對容易地實現信號接收/發射的自適應性，同時能夠較好地抑制天線副波瓣接收到的信號[4]。相對于傳統的拋物面天線或者模擬相控陣天線，這些天線在波束網絡設計確定后，天線的波束圖就被固定了，后期使用時不能進行更改。

（3）DBF技術因為首先進行A/D轉換，再對轉換后的數字信息進行處理，利用數字信號處理技術，在信號處理之前能夠保存較多的信息到處理端。而模擬波束成形，在波束形成之時就將大量信號信息丟棄，損失了大量的信號信息。

4 DBF相控陣天線監測應用

數字波束形成技術因為有足夠多的波束，所以足夠滿足各大互聯網衛星星座部署完成之后的日常監測需求，可以對覆蓋區域內的多個下行波束進行全信號實時跟蹤。

同時在后端接收機允許的情況下，可以使用盲搜方式對監測覆蓋區域進行深度監測，在使用盲搜方式進行信號監測時，DBF技術所能提供的強大的信號處理能力，使得監測范圍內的信號搜索時間相對于目前常用的模擬相控陣天線會有很大變化。

下面對DBF相控陣天線盲搜能力進行探討。利用DBF相控陣天線，水平放置，對法線60°范圍信號進行掃搜，監測范圍為俯仰30°以上范圍，對低軌衛星550 km測算，監測半徑約為950 km，將DBF相控陣天線監測范圍按監測需要劃分為均勻的“小區”，天線的若干個波束以固定速度輪詢各個“小區”，對各小區設定一定權重的電平觸發門限，當相控陣天線波束輪詢到某一小區電頻值超過該“小區”電平觸發門限時，記錄該“小區”方位俯仰信息，由其他天線系統進行跟星和監測測量。盲搜監測方式對天線后端的信號處理設備要求很高，需要在后端處理設備上有較大的投入。

5 結束語

由于目前國內民用市場還沒有相關產品，國外對此類產品出口有一定的出口限制。基于上述數字波束形成技術的優勢，后期在國內技術逐步成熟的條件下，同時在成本下降到可接受的范圍時，采用DBF相控陣天線是應對NGSO星座監測的較為不錯的天線選擇。