地面站衛通抗干擾輔助陣列饋源天線研究?

羅 康 王 青 楊 凱 李 斌

（海軍工程大學電磁能技術全國重點實驗室 武漢 410003）

1 引言

衛星通信能夠實現高速數據傳輸的超視距通信，廣泛應用于航天、農業、氣象和軍事等領域。衛星通信地面站系統的主天線通常為高增益的卡塞格倫、環焦雙反射面天線，反射面天線有較低的旁瓣電平（約-40dB），具有一定的抗干擾特性。然而，衛星開放式和廣播式的通信方式使其下行鏈路極易受到地面大功率電子設備或其他有源設備干擾［1～3］。波束形成技術是一種有效的空域抗干擾方法，其原理是對輔助天線接收信號進行加權調整，與主天線接收信號合成，實現干擾抑制［4～8］。

伴隨著雷達抗干擾技術的發展［4～5］，自適應旁瓣對消技術逐漸引入衛星通信地面站抗干擾系統［9～12］。文獻［10］采用低頻信號調制和復數檢測技術，當衛星下行有用信號和干擾信號同頻時，測量獲得了40dB 以上的對消比。文獻［11］由波程差分析了衛星通信地面站系統的寬帶對消場景，當干擾來波方向未知時（假設主天線孔徑約100λ，輔助天線為全向小孔徑天線），最優輔助天線個數為5，單元間距為55λ。文獻［12］提出了一種用于衛星通信地面站抗干擾的帶內功率最小化的方法，對于孔徑為1.2m 的主天線（VSAT 站）和孔徑為100m×90mm 的輔助天線（喇叭天線），測試獲得了約25dB的對消比。近年來，本文作者所在的團隊對衛星通信地面站抗干擾技術進行了研究［13～15］。文獻［13］采用自適應旁瓣對消技術，優化了輔助天線增益、數量、陣列流形等對對消比、有用信號損失的影響，采用7 單元微帶天線線陣作為輔助天線，測試獲得了25dB 的對消比。文獻［15］采用2 單元橢圓寬波束微帶天線作為輔助天線，實現了對360°方位面任意來波方向干擾信號的有效覆蓋，測試獲得了27dB 的對消比。然而，上述文獻均未研究衛星通信地面站主瓣抗干擾輔助天線的設計。

本文針對衛星通信地面站主瓣抗干擾開展研究，提出了基于陣列饋源的波束形成方法。根據衛星通信地面站抗干擾場景，通過分析不同輔助天線陣增益、主天線旁瓣增益等對輸出信干噪比的影響，推導了最優輔助天線陣增益。以實驗室某衛星通信地面站天線主瓣抗干擾輔助天線設計為例，提出了7 單元陣列饋源的方案，驗證了理論分析的正確性。

2 輔助天線陣增益和權值分析

根據波束形成的基本原理，輔助天線在干擾信號方向上的增益越大，對消效果越好。然而，這將導致輔助天線尺寸變大，不利于工程實現。為獲得最優輔助天線增益，本節通過分析不同輔助天線陣增益對輸出信噪比的影響，以用于指導輔助天線設計。

2.1 波束形成基本原理

考慮陣列流形后，假設有I個干擾源、N 個輔助天線，主天線、輔助天線收到信號的分別為

其中，s、ci分別為有用信號、干擾信號，Gm、Gan分別主天線、輔助天線方向圖，(θS,φS)、(θi,φi)分別有用信號、干擾信號來波方向，Nm、Nan分別為主通道、輔助通道噪聲，gm、gmi、gan、gani為本文引入的中間變量。fn0、fs0、fci分別為輔助天線、有用信號、干擾來波方向的相位因子：

在最小均方誤差準則下：

輔助天線最優權值為

上式為經典的維納一霍夫方程的解。其中，RCA為輔助天線陣列接收信號的協方差矩陣，RCM為輔助天線與主天線接收信號的協方差矩陣：

其中，Xa=[Xa1Xa2…XaN]T。

2.2 最優輔助天線增益

為簡化分析，假設只有一個輔助天線，一個干擾源，各通道噪聲、干擾信號、通信信號之間互不相關。與此同時，衛星通信地面站主天線的旁瓣電平通常約-40dB，且干擾信號功率遠大于衛通信號功率。因此：1）衛通主瓣增益‖gm‖2通常比旁瓣增益‖gm1‖2大40dB；2）衛通信號功率遠小于通道噪聲功率；3）衛通主天線的接收信號中，干擾信號功率不小于衛通信號功率；4）干擾信號功率通常比通道噪聲功率大40dB。

理想條件下，自適應旁瓣對消技術只消除主天線接收信號中的干擾信號，最優權值為

單天線、單干擾源下的最優權值為

此時，對消后的輸出信號為

對應的輸出信噪比，即干擾抑制的理論上限為

其中，

上式為衛通主天線接收信號的信噪比（不考慮干擾信號）。相比于干擾抑制前，干擾抑制后的信噪比會出現一定的惡化，輔助天線在干擾信號入射方向處的增益值越大，在衛通信號入射方向處的增益值越小，惡化的程度越低。因此，在輔助天線設計時，應該考慮盡量增大干擾信號入射方向的天線增益，減小在衛通信號入射方向處的增益，且輔助天線干擾信號來波方向的增益要遠大于主天線在此方向的增益。

根據式（14），圖1 為對消輸出信干噪比SINRout隨不同輸入信噪比SNRin（無干擾時）、主天線在干擾信號來波方向上增益gm1、輔助天線在干擾信號來波方向上的增益ga11的變化曲線。需要說明的是：地面站衛通正常工作時，信噪比SNRin通常為8dB～12dB，旁瓣電平通常約-40dB，且旁瓣增益gm1通常不超過4dB。可以看出：1）由于主天線具有較低的旁瓣電平，SINRout基本不隨gm1變化；2）隨著ga11逐漸逼近12dB，SINRout逐漸收斂于SNRin。因此，針對上述場景，輔助天線在干擾信號來波方向上的增益應大于12dB。

圖1 SINRout 隨ga11 變化曲線

2.3 最優權值

在單天線、單干擾源條件下的，RCA、RCM可改寫為

由式（18）可知，‖ga11‖2越大，權值W0越趨近于Wopt，且式（18）第二項分子、分母的幅值均越大，有可能惡化理想條件下的對消性能。‖ga1‖2越小，由于此時的幅值遠小于，對分母幅值的影響有限。考慮到‖gm‖2比‖gm1‖2大40dB，的幅值遠大于的幅值。因此，應盡量降低輔助天線在有用信號來波方向上的增益，并增大其在干擾信號來波方向上的增益。假設‖ga11‖2較大、‖ga1‖2較小，干擾信號功率遠大于通信信號功率，式（18）可近似為（遠大于和，遠大于和）：

此時，對消后的輸出信號為

對應的信號與干擾噪聲之比為

由式（23）可知，提升對消后的信干噪比的途徑有：增大α2，減小β2和‖W0‖2。當干擾信號被完全消除時，即α2=‖gm‖2、β2=0 時，對消后的輸出信噪比仍然會出現惡化。

3 輔助天線陣設計

第1 節針對衛星通信地面站主天線的低旁瓣電平的工作場景，推導了最優輔助天線增益和權值。本節在此基礎上，研究衛星通信地面站主瓣抗干擾工程實現方法。

3.1 陣列饋源

主天線（卡賽格倫環焦雙反射面天線）與原波紋喇叭饋源天線仿真模型如圖2 所示（12.5GHz），原饋源增益為12.8dB，略大于第1 節分析的最優輔助天線增益（ga11≥12dB）。本節采用基于微天線下的陣列饋源方案（易于加工），故陣增益應大于原饋源增益12.8dB。圖2（a）中原饋源喇叭天線口徑為60mm，微帶天線單元采用半波長間距組陣時，最大可放入7 個單元，如圖3（a）所示。與此同時，微帶天線單元增益約為6dB，根據方向圖乘積因子，7個單元合成增益約14.4dB，故該陣列饋源增益具有一定的余量。

圖2 主天線與原饋源仿真方向圖

圖3 陣列饋源

陣列饋源天線單元矩形輻射貼片邊長為7mm（0.43λ）、7.8mm（0.48λ），由同軸探針饋電激勵TM01模式，單元間距為14.4mm（0.6λ）。采用Rogers 5880 介質板，厚度為2mm，直徑為60mm，相對介電常數為2.2，損耗角正切為0.001。陣列饋源加工實物如圖3（b）所示，采用該陣列饋源替代圖2（a）中的波紋喇叭饋源。

圖4 為陣列饋源掃描方向圖，在0°～40°的范圍內掃描增益始終大于對應角度的原饋源增益。根據第1 節分析，主天線反射面接收有用和干擾信號到陣列饋源，陣列饋源加權后，在干擾信號來波方向上產生等效的零陷，而在有用信號來波方向上增益損失相對較小，可獲得較好的抗干擾效果。

圖4 陣列饋源掃描方向圖

3.2 抗干擾效果

假設有用信號來自圖2（b）中-z軸方向（0°），干擾信號靠近主波束（1°）。根據第1 節仿真方法，可得全陣列波束方向圖如圖5 所示。由于陣列饋源可以復用主反射面，因此可以實現較好的主瓣抗干擾效果。對消中頻頻域波形如圖6 所示，可實現33dB 的對消效果，對有用信號信噪比損失為1.41dB。

圖5 全陣列波束方向圖

圖6 對消前后信號頻譜

由于Ku 頻段射頻損耗較大，衛星通信地面站系統通常會在饋源處設置低噪聲放大器，或者采用低損耗的波導管使得低噪聲放大器可以遠離旋轉關節設置。因此，開展本文饋源陣列的實驗分析需要改裝衛星通信地面站系統的旋轉關節，這將是本文的下一步工作，以驗證本文最優輔助天線增益分析、陣列饋源的有效性。

4 結語

本文研究了衛星通信地面站抗干擾輔助天線設計問題。首先，根據波束形成原理和衛星通信地面站工作場景，建立了對消輸出信干噪比與輔助天線增益的數學模型，推導了最優輔助天線增益，并分析了相應的權值計算方法。然后，以實驗室某衛星通信地面站天線為例，提出了陣列饋源的設計思路，7 個微帶天線單元組成陣列饋源。仿真結果表明，當干擾偏離主波束1°時，可實現33dB 的對消比，信噪比損失為1.41dB。