便攜式衛星終端全空域共形數字陣列設計

王鐵丹，陳　樂，唐偉峰，陳望杰，李　磊，孫　昊，李國平

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

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便攜式衛星終端全空域共形數字陣列設計

王鐵丹，陳樂，唐偉峰，陳望杰，李磊，孫昊，李國平

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

針對便攜式衛星終端要求的全空域多目標跟蹤能力，基于終端外形設計了一種圓臺結構的共形陣列。該陣列由頂面的平面陣列和側面16條棱面圍成的臺體構成，頂部平面陣列產生的波束覆蓋上半空間的大仰角區域，側面的16條棱面則負責小仰角區域的波束覆蓋。與球面天線相比，圓臺陣列在工程實現和波束增益方面具有一定優勢。分析了圓臺陣列在全空域的增益性能，并考慮到實際應用中的遮擋效應，對空域進行了劃分，不同的空域使用圓臺不同方位的陣元進行數字波束形成。理論分析和仿真結果表明，圓臺共形陣列全空域增益波動較小，性能良好。

圓臺陣列；全空域；多波束；衛星終端

0　引言

便攜式衛星終端一般是為滿足特定需求而設計的，對成本、質量、體積等有較為苛刻的要求。因此，便攜式衛星終端的天線設計要滿足小型化、高增益、輕量化、低剖面、全空域覆蓋等需求。目前，便攜式衛星終端天線主要有拋物面天線、平板陣列天線和相控陣天線。相控陣天線具有靈活的波束掃描功能,能夠產生同時多波束，可以快速捕獲和跟蹤多個衛星信號，與拋物面天線和平板陣列天線相比具有較強優勢，因此成為目前及將來衛星通信終端的首要選擇模式。但單一的平面相控陣天線在低仰角掃描時增益惡化顯著，仰角小于15°時，增益惡化達到5dB以上，性能損失較大。

為了達到全空域掃描的目的，有學者將陣面進行傾斜設計[1-5]，使天線單元與水平面成一定角度，但此時旁瓣相對較大；有學者利用球面等陣面進行布陣設計，但球面陣列由于遮擋問題，單一波束可用陣元較少，整體增益有所損失；有學者利用天線罩的折射效應將全空域覆蓋波掃集中到一個小的空域范圍[6-7]，使平面陣列的有限范圍波束掃描折射至全空域覆蓋，但天線罩本身將帶來較大插損。本文提出一種基于圓臺陣列的共形數字陣列設計，并利用射頻微系統技術，在完成全空域覆蓋的同時，將衛星終端微波通道及數字處理器件集成到陣列內部，提升了系統空間利用率，縮小了便攜式衛星終端體積。

1　陣列共形要求

為了減小設備體積，方案將天線、射頻通道及數字信號處理等組件進行一體化設計，全部集成到天線罩內部，外觀如圖1所示。

圖4　陣列G/T值仿真結果

一體化接收分系統結構如圖2所示。可以看出，整個射頻集中于一體化接收分系統中，傳輸路徑短，線纜衰減小；可根據一體化分系統外型進行三維共形設計，在縮小體積的同時滿足寬空域覆蓋的要求；可采用射頻微系統技術，研發專用射頻芯片，降低系統的功耗及體積，提高核心器件的自主可控水平。

圖2　一體化接收分系統結構示意圖

2　陣列設計

天線陣列必須考慮與一體化接收分系統共形的要求，同時考慮滿足波束俯仰覆蓋范圍為0°～75°內的多址能力。一體化接收分系統方案采用三維共形陣列數字波束形成技術同時滿足以上2個需求，終端共形陣列如圖3所示，采用圓臺陣列設計。其中，圓臺頂部共12個陣元，其中包含一個BD/GPS天線，側面為16條棱線，每條棱線布置2個陣元，合路后進行數字波束形成。

圖3　陣列設計圖

系統的主要指標是系統的G/T值，該值是系統的增益與噪聲的比值。由于終端為圓臺共形陣列設計，因此陣列存在旋轉對稱特性(每旋轉45°后與原陣列相同)。仿真驗證方位角為[0°,45°]、俯仰角為[0°,120°]的G/T值，假設通道噪聲系數為1dB，太陽方向能量增益不大于0dB。G/T值與波束指向的關系如圖4所示。

取方位角為0°、30°時，陣列G/T值隨俯仰角變化趨勢如圖5所示。

圖5　陣列G/T值隨俯仰角變化仿真結果

從圖5可以看出，G/T值隨方位角變化程度不大，方位角為0°、30°時，兩條曲線基本重合。圖6為俯仰角為0°～75°時，G/T值隨方位角變化趨勢。圖6中曲線近似圓形，G/T值隨俯仰角增大而降低，俯仰角為0°時有最大G/T值為-5.52dB/K，俯仰角為75°時有最小G/T值為-8.95dB/K，均大于指標要求。

圖6　陣列G/T值隨方位角變化仿真結果

系統幅相誤差對G/T的影響：幅相誤差的幅度抖動服從標準差為0.31dB的高斯分布，相位誤差服從標準差為2.23°的高斯分布，進行1000次蒙特卡羅實驗，幾個典型波束指向下，G/T值抖動結果如圖7所示，G/T值最大抖動為0.16dB，滿足設計要求。

圖7　G/T值受幅相誤差影響情況

系統幅相誤差對波束指向的影響：幅相誤差的幅度抖動服從標準差為0.31dB的高斯分布，相位誤差服從標準差為2.23°的高斯分布，其對波束指向的影響的仿真結果如圖8所示，最大指向偏差為0.48°，滿足指向偏差設計要求。

圖8　陣列波束指向受幅相誤差影響情況

3　全空域波束預置設計

如圖9所示，將整個需要覆蓋的圓形空域拆分為多個正六邊形的覆蓋范圍，每個正六邊形對應一個波束指向。目標位于該正六邊形對應的空域范圍內時，即將波束指向該正六邊形中心，當目標進入另一個正六邊形對應的空域時，將波束指向進行切換。1705個波束可覆蓋上述終端俯仰角為0°～75°的空域范圍。每個波束指向需要的加權值預先計算完成后存儲在便攜筆記本或者波束形成FPGA內，待處理軟件計算出所需的波束指向后，直接取出加權值，無需再次計算，能有效提高衛星的跟蹤速度。

圖9　波束覆蓋示意圖

4　結束語

便攜式衛星終端采用圓臺共形陣列設計，實現了全空域的波束覆蓋，不同入射角度的衛星信號可通過選取不同的接收波束得到多信號的同時接收能力。同時，采用微系統技術將一體化接收分系統集成于天線罩內部，大大減小了系統體積，滿足了便攜式終端的輕量化、小型化要求。■

[1]Manrique R, Torres R, Dominguez C, et al. Design and prototyping of a microstrip transmit-receive array antenna for mobile Ku-band satellite terminals[C]∥Proc. of European Conference on Antenna and Propagation, Barcelona, Spain, 2010.

[2]馮少東.“動中通”相關技術新進展[J].衛星應用,2007(3):50-52.

[3]康學海,柯樹人. “動中通”移動衛星通信終端天線跟蹤技術[J]. 現代電子技術, 2007 (17): 17-21.

[4]Yorozu Y. A low-cost ultra low profile phased array system for mobile satellite reception using zero-knowledge beam forming algorithm[J]. IEEE Trans. on Antennas and Propagations, 2008,56 (12).

[5]梁劍鋒, 胡國慶, 韓國棟. 一種全空域覆蓋衛星通信多面相控陣天線[J]. 工程師筆記, 2013(12):58-59.

[6]Shelley M, Vasquez J. Advanced array antenna for portable and mobile sitcom terminals[C]∥IEEE Military Communications Conference, 2003:1445-1449.

[7]Karmakar NC, Bialkowski ME. A compact switched-beam array antenna for mobile satellite communications[J]. Microwave And Optical Technology Letters, 1999, 21(3).

Design of digital array in full airspace for potable satellite terminal

Wang Tiedan， Chen Le， Tang Weifeng， Chen Wangjie， Li Lei， Sun Hao， Li Guoping

(No.8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

Aiming at the multi-target tracking performance in full airspace required by potable satellite terminal，a conformal array shaped as the circular stage body is designed on the outfit of the terminal. This array consists of planar array on the top and the stage body formed by 16 edged planes. The beam produced from the planar array on the top covers the high elevation area and the 16 edged planes cover the low elevation area. Compared with the spherical antenna, the circular stage body has certain advantages in engineer application and beam gain. The performance of beam gain in full airspace of the circular stage array is analyzed, with consideration of the covering effect in practice. It divides the airspace and different airspace produces the beam forming by the elements from different directions of the circular stage body. The theoretical analysis and simulation result proves the full airspace gain of the circular stage body is comparatively stable with good performance.

truncated cone array；full airspace；multi-beam；satellite terminal

2016-04-10；2016-05-17修回。

王鐵丹(1985-)，男，工程師，博士，主要研究方向為信號與信息處理。

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