全空域球面數(shù)字多波束天線波束控制方法研究

肖 遙，蔚保國1,,翟江鵬1,

(1.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

全空域球面數(shù)字多波束天線波束控制方法研究

肖 遙2，蔚保國1,2,翟江鵬1,2

(1.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

為適應全空域?qū)Ш叫亲墓芾硇枨螅岢隽艘环N全空域球面數(shù)字多波束天線系統(tǒng)的方案，在全空域內(nèi)同時形成多個波束，實現(xiàn)同時多目標測控。針對球面陣列天線波束控制問題，提出了“波束滑動掃描”算法，研究了球面陣波束交叉過渡、功率增強的方法。通過對波束方向圖的仿真分析，驗證了波束控制方法的可行性和正確性。

全空域；球面陣；數(shù)字多波束形成；波束控制；陣列天線

0 引言

數(shù)字多波束天線是陣列天線技術與數(shù)字信號處理技術相結合的一種技術，同時具有陣列天線的波束電子掃描和數(shù)字信號高精度靈活處理的優(yōu)點[1]。數(shù)字多波束天線能夠同時產(chǎn)生多個波束，完成對多個目標的連續(xù)跟蹤、測量和通信任務，是解決多目標測控技術的一種有效途徑[2]。

傳統(tǒng)的陣列天線大都采用平面陣列的形式，具有結構簡單、算法成熟的特點[3]。平面陣列天線波束隨著掃描角度的增加會出現(xiàn)性能下降的問題，表現(xiàn)為波束變寬、增益下降，無法實現(xiàn)全空域覆蓋[4]。為了實現(xiàn)全空域波束覆蓋，可采用立體陣[5]的陣列形式。立體布陣一般有2種設計思路[6]：多面體陣列形式和賦型陣列形式。多面體了四列形式采用多個平面陣拼接，如4面或5面拼陣方案，每個面掃描一定范圍，多個平面聯(lián)合作用實現(xiàn)全空域覆蓋[7]；賦型陣列形式陣元均勻分布在球面或柱面等立體表面，依托立體的結構形式實現(xiàn)全空域覆蓋[8]。

本文主要針對球面數(shù)字多波束陣列天線系統(tǒng)，研究其波束控制方法，并進行相關的仿真實驗。

1 球面陣列天線架構

本文介紹了一種利用半球面加圓柱面的陣列天線形式，陣元均勻地分布在半球和圓柱表面，單元間距取半波長，網(wǎng)格球頂陣列天線布陣示意圖如圖1所示[9]。增加圓柱面陣列天線，改善了波束在低仰角時的增益，達到全空域覆蓋[10]。

從空間任何角度觀察，理想的球面陣列天線工作口徑都是一個同樣大小的圓形陣面，這樣的特點確保了陣列天線在低仰角形成的波束同法線方向波束具有同樣優(yōu)異的特性。球面陣列天線在正常的工作情況下，通過波束指向，選通陣列天線上一定區(qū)域的通道，形成一個工作狀態(tài)的天線口徑，且該天線口徑的法線方向?qū)誓繕耍⑼ㄟ^數(shù)字波束形成(Digital Beamforming，DBF)產(chǎn)生指向目標的波束。當目標位置發(fā)生時，需通過控制球面陣通道的選通和關閉，維持陣列天線工作口徑的更新，以“波束滑動”的方式使波束始終指向衛(wèi)星。球面陣列天線的波束在滑動過程中能夠保持恒定的波束寬度和增益，是實現(xiàn)全空域覆蓋的最佳陣列形式。

圖1 球面陣天線

發(fā)射數(shù)字多波束天線主要由發(fā)射天線單元、發(fā)射信道(包括功放和上變頻器)、D/A轉(zhuǎn)換器、數(shù)字多波束形成模塊(包括波束形成器、波束控制器和編碼調(diào)制器)和控制與信息處理計算機等部分組成，如圖2所示[11-12]。

圖2 數(shù)字多波束天線發(fā)射原理

在控制與信息處理計算機的控制下，根據(jù)目標位置，選擇作用陣元，控制其基帶信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生基帶信號，發(fā)送至數(shù)字多波束形成模塊，未參與波束形成的區(qū)域，則關閉通道。各波束信號在波束控制器的控制下，經(jīng)波束形成器產(chǎn)生指向各目標的陣列信號，多個波束的陣列信號在波束形成器中疊加，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)上變頻、功率放大，由天線陣元輻射到空間。

2 波束滑動掃描方法

2.1 球面陣列天線波束掃描面臨的問題

平面陣列天線工作過程中，全部通道同時參與波束形成。由于波束指向相對各個單元天線的俯仰角相同，理論上各單元天線在某一指向波束形成過程中貢獻相同的增益。通過各通道權值的實時更新，實現(xiàn)波束在空間的電子掃描。

球面陣列天線工作過程中，通常選擇球面一部分區(qū)域內(nèi)通道(通常為一定立體角范圍內(nèi)的球冠表面)參與波束形成[13]，隨著波束的掃描，該區(qū)域也不斷發(fā)生變化，因此參與波束形成的通道是動態(tài)變化更新的。

同時進行多個波束形成時，當2個波束指向比較接近時，參與2個波束形成的區(qū)域?qū)⒋嬖谝欢ǖ闹睾希睾喜糠滞ǖ劳瑫r參與2個波束的形成，數(shù)字波束形成技術為該問題提供了有效的解決途徑。

2.2 波束滑動掃描方法

球面陣列天線波束合成時，根據(jù)期望波束指向，選通陣列天線上一定區(qū)域的陣元，該選通區(qū)域的法線方向?qū)誓繕耍a(chǎn)生指向目標的波束[14]。對于球面陣天線，假設期望波束指向角度為(θ,φ)，要求波束寬度為α；由于單元天線在不同方向的增益不同，法線方向增益最大，隨著指向偏離法線方向，增益逐漸降低，因此，在陣列主波束覆蓋范圍α內(nèi)，某些陣元實際上并沒有貢獻。換言之，對于陣列主波束來說，存在一個區(qū)域(如圖3中陰影區(qū)域)，該區(qū)域的陣元不參與陣列波束形成。

圖3 球面陣

在球面陣中根據(jù)波束指向選定圓形陣面作用陣元后，通過數(shù)字波束形成技術[15]，產(chǎn)生指向目標的波束。在球面陣列天線中，波束掃描比較復雜，隨著目標位置發(fā)生變化，通過控制球面陣通道的選通和關閉，維持著陣列天線作用區(qū)域的變化，以波束掃描的方式，使波束始終指向目標。

2.3 仿真分析

在方位-145°方向上，波束以1°為間隔從40°掃描到50°的過程如圖4所示。

圖4 (-145°，40°)～(-145°,50°)掃描的波束方向圖

不同俯仰角所對應的主波束方向圖的形狀基本上保持一致，峰值電平略有不同。通過40°～50°的掃描過程中，俯仰角在40°～47°時，峰值電平的取值為43.637 dB；俯仰角在48°～50°時，峰值電平的取值為43.694 dB，峰值電平變化約0.057 dB，這種變化電平在發(fā)射過程中是可以接受的。由于球面陣列天線的陣元布局設計問題，不同方向上參與作用陣元數(shù)量不同，通過觀察，對波束形成方向圖無明顯影響，可忽略不計。

3 波束交叉過渡及功率增強方法

3.1 波束交叉過渡

在球面陣列天線執(zhí)行多目標任務時，根據(jù)空間目標的分布，分別選通陣面上不同作用區(qū)域的陣元，形成指向不同目標的波束。由于目標位置發(fā)生變化，波束指向隨之發(fā)生變化。在變化的過程中，產(chǎn)生2個或更多波束交叉過渡的現(xiàn)象。

設數(shù)字多波束陣列天線具有N個陣元，同時產(chǎn)生M個發(fā)射波束(M

當2個目標分別在(-150°，80°)和(-120°，80°)方向時，其對應的作用陣元區(qū)域發(fā)生重疊，如圖5(a)所示。通過波束交叉過渡方法產(chǎn)生2個波束，方位角為80°的方向上的波束方向圖，如圖5(b)所示。可以看出2個波束分別指向目標方向。

(a) 作用陣元區(qū)域

(b) 波束方向圖圖5 (-150°，80°)和(-120°，80°)作用陣元位置及波束方向圖

3.2 波束功率增強

在球面陣列天線工作的過程中，根據(jù)要求，有時需要增強波束功率。球面陣列天線波束合成由部分陣元完成，而波束的EIRP與陣元數(shù)目、陣元方向圖等有密切關系。

發(fā)射功率的核算公式為：

(1)

式中，P單通道輸出功率為作用單元通道的輸出功率；N為參與波束形成的陣元個數(shù)。

由式(1)可知，波束的EIRP能力主要取決于單通道功率輸出、陣列天線通道數(shù)量和單元天線增益3個因素。對于球面陣來說通過增加參與波束合成的通道數(shù)量，可以顯著提高陣列天線的發(fā)射EIRP能力。

只需要在波束形成算法中擴大作用陣元的選擇區(qū)域，使作用陣元數(shù)增多，即可提高波束EIRP能力。在同指向(60°，45°)情況下，選取陣元的波束覆蓋范圍從60°擴大為90°，如圖6所示。在單通道輸出功率和單元天線增益不變的情況下，作用陣元區(qū)域擴大后作用陣元數(shù)量由151增加到330，通道數(shù)增多，帶入式(1)可以得出，波束EIRP增加15.64 dB。由此得出，可以通過擴大作用區(qū)域以提高波束功率。

圖6 (60°，45°)方向上擴大作用陣元區(qū)域

隨著選通通道數(shù)量的增加，陣列天線口徑也隨之變大，導致波束特性發(fā)生變化，波束寬度變窄，波束增益提高，旁瓣電平升高。如圖7所示。作用陣元由151增加到330時，波束3 dB寬度由6.14°減小到4.16°，波束增益由43.58 dB增加到50.37 dB，旁瓣電平由26.65 dB增加到34.51 dB。

圖7 波束方向圖對比

4 結束語

全空域數(shù)字多波束天線系統(tǒng)通過采用“空分多址+碼分多址”[17]體制，同時完成針對多目標的測量和通信任務，可以極大地提升地面測控系統(tǒng)的工作能力。該系統(tǒng)代表了地面測控系統(tǒng)的主流發(fā)展趨勢，是解決多目標管理的一種有效手段，將在未來地面測控系統(tǒng)中發(fā)揮重要所用。本文針對球面數(shù)字多波束天線的波束控制方面進行了研究，為地面測控系統(tǒng)的發(fā)展和建設提供了新的思路。

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肖 遙 女，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：衛(wèi)星導航。

蔚保國 男，(1966—)，博士生導師，研究員。主要研究方向：衛(wèi)星導航總體技術、航天測控技術、陣列信號處理技術和自動測試系統(tǒng)技術等。

Research on Beam Control of Spherical Digital Multi-beam Antenna in Hemispherical Coverage

XIAO Yao2,YU Bao-guo1,2,ZHAI Jiang-peng1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

In order to adapt to the requirements of navigation constellation management in hemispherical coverage,a solution of spherical digital multi-beam antenna system in hemispherical coverage is proposed.The multiple beams are formed in hemispherical coverage to realize simultaneous multi-target navigation.Aiming at the control of spherical array antennas beam,this paper proposes a “beam slip scanning” algorithm,and studies the method of beam cross-transition and power enhancement.The feasibility and correctness of the beam control method is verified by the simulation analysis of beam pattern.

hemispherical coverage;spherical array;digital multi-beam forming;beam control;array antenna

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.10

肖 遙,蔚保國,翟江鵬.全空域球面數(shù)字多波束天線波束控制方法研究[J].無線電工程,2017,47(3):39-42,74.

2016-12-06

國家自然科學基金資助項目(91638203)。

TN823

A

1003-3106(2017)03-0039-04