衛星監測多波束天線技術研究

蔡鴻昀，李思靜，周 平

（國家無線電監測中心深圳監測站，深圳 518120）

衛星監測多波束天線技術研究

蔡鴻昀，李思靜，周 平

（國家無線電監測中心深圳監測站，深圳 518120）

本文綜述了三種主要形態的多波束天線，并分別給出其工作原理圖，對三種基本多波束天線進行了性能比較。

多波束天線；衛星監測；相控陣天線

1 引言

多波束天線能實現一副天線同時接收多路信號的功能，在衛星監測中開始得到越來越廣泛的應用。目前，多波束天線在星載天線上得到了較為廣泛的運用，而地球站天線由于較高增益要求使用多波束天線的成本仍然較高，導致運用不夠廣泛。隨著衛星數量的爆炸性增長，及天線成本的下降，未來多波束天線將是衛星監測天線的主流天線技術之一。

2 多波束天線

2.1 多波束天線的定義

多波束天線是指能產生多個高增益波束的天線，這些波束（稱為元波束）可以合成一個或幾個成形波束，以覆蓋特定的空域。目前多波束天線主要有三種形態：透鏡式、反射面式、相控陣式等三種基本形式，此外，還有以相控陣作為反射面或透鏡饋源的混合形式。

2.2 透鏡式多波束天線

利用透鏡把饋源所輻射的能量匯聚起來形成一個銳波束，當透鏡焦點附近設置多個饋源時，便相應形成指向不同的多個元波束。其工作原理如圖1所示。

圖1 多波束透鏡天線工作示意圖

由于饋源偏離透鏡焦點會引起彗形像差而使旁瓣電平升高，饋源的偏焦角不能過大，但可適當組合多個喇叭組成饋源陣來壓低波束的旁瓣電平。透鏡天線的優點是天線結構非常簡單，波束掃描的角度大；缺點是透鏡介質對電磁波的損耗很大，難以做到很高的增益。

2.3 反射面多波束天線

反射面天線的特點是增益高，生產制造工藝成熟，成本低在衛星通信領域有著最廣泛的應用。多波束反射面天線利用同一個反射面去接收多個饋源的照射，以此形成多個波束，每個波束的性能參數均由相應的饋源所決定，通過合理調整饋源的安裝位置，就可以在不移動反射器的情況下將波束指向不同的目標范圍。天線的波束由饋源數決定，不同位置的饋源接收或發射不同方向的波束。反射面的種類非常多，有旋轉拋物面，球面等等，根據反射面數量的多少可以分為雙反射面天線，單反射面天線等，為了克服饋源對反射面天線的遮擋效應，通常采用雙反射面的方式，而單反射面的通常采用偏焦的方式來規避饋源遮擋的影響。一種簡單的旋轉拋物面天線的多波束原理圖2所示。

圖2 多波束成形原理及偏焦對波束偏轉的影響

為了提高天線增益，降低旁瓣和漏瓣的影響，反射式多波束天線的另一種形式為雙反射面式，即卡塞格倫天線，其饋源方式仍然采用偏饋方式，以降低對天線有效口徑的遮擋。其工作原理如圖3所示。

圖3 偏饋卡塞格倫多波束天線原理圖

2.4 相控陣多波束天線

相控陣天線由許多輻射元排陣構成，用波束形成網絡向陣列單元激勵所需的振幅和相位，以形成不同形狀的成形波束。相控陣的最大優勢就是實現波束操縱時沒有旋轉整個陣列的機械問題，省去了對伺服系統的大量維護工作，可對波束數目和形狀進行靈活控制，并可控制波束作快速掃描；主要缺點是結構較復雜，造價昂貴。

2.4.1 數字波束成型技術

數字波束形成技術充分利用陣列天線所獲取的空間信息，通過信號處理技術使波束獲得超分辨率和低副瓣的性能，實現了波束的掃描、目標的跟蹤以及空間干擾信號的零陷，其優越的性能在現代信號處理領域得到了越來越廣泛地應用。在遠場θ方向各天線陣元的電場合成場強E，如圖4所示，易知，當Ψ=0時，E有最大值，對應的θ方向就是主瓣的方向，通過對各天線陣元按照一定的規律配置幅度值，就可以改變主瓣的尖銳度以及旁瓣的性能。這就是相控陣天線的簡要工作原理。

公式（1）和公式（2）可知，當Ψ=0時，E有最大值，對應的θ方向就是主瓣的方向，通過對各天線陣元按照一定的規律配置幅度值，就可以改變主瓣的尖銳度以及旁瓣的性能。數字波束成型示意圖如圖5所示。

圖4 波束形成原理

圖5 單個數字波束成型示意圖

相比于傳統的波束成型技術，數字波束成型有非常明顯的優勢。傳統波束成型技術需要非常復雜的饋電網絡，用以調整輻射單元的增益和相位，得到的合適方向上的尖銳波束。但數字波束成型技術是在數字信號域調整幅度及相位，極大地降低實現難度。對射頻端完全數字化以后，波束的操縱完全基于軟件來實現，是一種基于軟件無線電的方法。

2.5 三種多波束天線的性能比較

上述三類多波束天線是當前應用最廣的多波束天線，其他類型的多波束天線均是基于上述三類天線的變形，如表1所示。

目前，多波束反射面的天線的應用最廣，技術成熟度最高，透鏡天線僅在一些小眾領域有一些應用。相控陣天線是當今多波束領域最熱門的領域，是未來多波束天線未來發展的趨勢所在，目前由于其造價非常高昂，在衛星地球站監測領域還查不到應用的先例。

表1 三類天線的性能比較

3 用于衛星地球站監測的三種主流多波束天線的實現方案

3.1 反射面多波束天線

反射面多波束天線的實現方案是利用拋物面作為反射面，采用偏饋方式，在焦點平面上布置多個饋源喇叭天線來接收不同波束。實現原理如圖6所示。

圖6 反射面多波束天線

該型拋物面偏饋多波束天線是目前技術最成熟的多波束天線種類，其增益、天線表面精度等指標與同尺寸的卡塞格倫天線基本一致，其建造成本也與同尺寸的卡塞格倫天線基本相同，根據尺寸的不同，成本約為幾百萬元不等，隨著饋源偏離焦點越大，天線的有效口徑會呈現出衰減的特性，且旁瓣的性能也會惡化，所以該類多波束天線的波束范圍一般左右不超過20度。成都西南電子技術研究所目前已研制出用于衛星監測的拋物面偏饋多波束天線。

3.2 反射面與饋源相控陣

此類型多波束天線的主題結構與反射面多波束天線基本一致，采用拋物面作為反射面，采用偏饋方式，在焦平面上設置饋源相控陣來產生不同的波束。原理如圖7所示。

圖7 反射面多波束天線原理圖

相控陣饋源的作用是產生多個不同的輻射（接收）波束，作用完全替代第一類方案中的多個喇叭饋源。饋源陣收到覆蓋空間內的所有目標信號后，將射頻信號數字化，然后再數字域對特定方向運用數字波束成型算法。饋源陣通過數字波束成型產生的波束增益與天線陣元數有關，一般將波束增益設計成等效于普通的饋源喇叭天線。在此方案中，饋源陣由兩個獨立的饋源陣組成，采用128個陣元天線，64個天線陣元組成水平極化陣，用于接收水平極化信號，64個天線陣元組成垂直極化陣，用于接收垂直極化信號。數字波束波束增益為20dB左右。覆蓋范圍與第一類方案一致，為東西范圍20度左右。相控陣饋源硬件結構如圖8所示。

圖8 相控陣饋源硬件結構圖

3.3 相控陣多波束天線

對于收發型相控陣多波束天線一般都要配置非常復雜的饋電網絡，也就是波束成型網絡，該網絡在模擬信號領域在配置相位和幅度，從而形成特定方向上的波束指向。由于地球站監測天線只收不發，因而可以采用數字波束成型技術，省略復雜的波束成型網絡，直接在數字域進行波束合成，如圖9所示。

圖9 相控陣多波束天線陣

各天線單元各自獨立地采集信號，經下變頻器到L頻段以后，對中頻信號進行數字化采樣存到高速共享內存。波束形成并行計算陣列從共享高速內存中提取數字化的信號，在數字域按照需要進行移相和功率控制，在方位角上形成很窄的波束指向不同衛星，同時獲得較高的天線增益。

由于波束形成是在采樣完成后在數字域完成的，所以只要計算能力足夠，觀測弧段內所有衛星信號都能在數字域正常輸出。相控陣天線硬件結構如圖10所示。

圖10 相控陣天線硬件結構圖

基于天線陣的數字波束成型技術具有非常強大的功能和巨大的優越性，其增益只要陣元數足夠均可滿足增益要求，其覆蓋范圍大于120度，缺點是造價過于高昂。以常見的13米卡塞格倫天線為例，其增益約為56dB，天線陣若要達到相同的增益，假設陣元天線采用半波振子天線，其增益以2.5dB算，需要部署26萬個天線單元，需要配置至少26萬塊寬帶采集卡，經初步估算，單個天線陣的造價不少于30億元。

4 相控陣多波束天線在衛星監測上的應用前景

基于數字波束成型技術在衛星監測中有如下優點：能夠同時接收某一軌道弧段內多顆衛星的信號；能夠將同時接收的多顆衛星的信號靈活快速切換，完全避免了機械轉動可能帶來的故障，大幅度節省時間；可以有效地節省天線資源，實現一個天線陣能同時用于不同的功能。

通過數字波束成型技術可以在天線陣可觀測到的范圍內任意調整波束的指向，來實現對一定范圍內所有衛星的監測覆蓋。如果天線陣元的帶寬足夠寬，還可實現對某個衛星頻段的全頻段信號監測。

因此，天線陣在數字波束成型技術的幫助下，理論上只要后臺計算能力足夠強大，可以短時間內對天線陣能監測到的所有衛星，及其星上所有的信號能全部“吞下”。深圳站衛星監測數字波束覆蓋圖如圖11所示。

圖11 深圳站衛星監測數字波束覆蓋圖

數字波束成型技術可以通過不同的波束來同時接收不同衛星的信號。因此，基于天線陣的數字波束成型技術可以通過一個天線陣即可實現雙星定位，三星定位以及多時差線定位。相控陣多波束天線在衛星干擾源定位中的應用如圖12所示。

圖12 相控陣多波束天線在衛星干擾源定位中的應用

5 結束語

多波束天線技術由于其獨特的優勢在衛星監測中有著很大的應用潛力，隨著多波束技術尤其是數字波束成型技術的進步，多波束天線的性能將會高于傳統的卡塞格倫反射面天線。技術的進步也會使電子硬件的成本急劇下降，當多波束天線的制造成本能與傳統天線相近時，多波束天線將在衛星監測領域迎來爆炸式發展。在科學技術突飛猛進的今天，作為實現衛星通信的高效化和經濟化的一種重要手段，多波束天線必然成為全球新一代衛星通信普遍采用的技術。

[1] 杜彪，伍洋，張一凡等．大口徑反射面天線技術綜述［J］．無線電通信技術，2016,42(1): 01-08

[2] 秦順友，許德森，高南．地球站天線技術的新進展及其發展趨勢［B］．電波科學學報，2003,8

[3] 任冬梅．多波束點聚焦透鏡天線［D］．電子科技大學，2005

[4] 劉瓊瓊．多波束反射面天線的研究與設計［D］．西安電子科技大學，2014

[5] 朱佩濤．多波束聚焦透鏡天線［D］．電子科技大學，2006

[6] 劉璟．多波束龍伯透鏡天線技術研究［D］．電子科技大學，2010,6

[7] 杜彪，楊可忠，鐘順時．多波束拋物環面天線的輻射特性［A］．1995年全國微波會議論文集(上冊)[C]，1995

[8] 進士昌明，安達三郎．多波束天線［J］．遙測技術，1978,03

[9] 胡紅芬，白曉紅．多波束天線的應用及發展［J］．現代雷達，2002,7

[10] P.福爾德斯．多波束天線的最新進展［J］．雷達與對抗，1983,03

[11] 李昌澤．賦形反射面天線的研究與綜合［D］．電子科技大學，2012

Research on Multi-beam Antenna Technology

Cai Hongyun, Li Sijing, Zhou Ping
(National Radio Monitoring Center Shenzhen monitoring station, Shenzhen, 518120)

This paper reviews three major multi-beam antennas, and describesthe working principle of three kinds of antennas respectively, in addition, performs performance comparison of Threebasic multi-beam Antennas.

multi-beam antenna; Satellite monitoring; Phased array antenna

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.08.026

TN82文獻標示碼：A

1672-7274（2017）08-0063-05

蔡鴻昀，本科，助理工程師，主要從事無線電監測、衛星干擾源上行站定位以及衛星監測設備維護工作，主要研究方向為衛星監測新技術、天線技術研究等。

李思靜，本科，工程師，主要從事無線電監測、短波監測定位以及衛星干擾源上行定位工作，主要研究方向為短波監測新技術、信號分析等。

周 平，碩士研究生，工程師，主要從事無線電監測、衛星干擾源上行站定位工作，主要研究方向為衛星監測新技術、天線技術等。