Ka/Ku頻段多波束天線研究

楊 濤

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210014）

Ka/Ku頻段多波束天線研究

楊 濤

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210014）

文章主要介紹Ka/Ku頻段復(fù)合多波束天線，采用模擬多波束體制，通過4組移相器分別控制4個(gè)獨(dú)立波束，實(shí)現(xiàn)4個(gè)波束實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星。實(shí)驗(yàn)證明，通過混合布陣減小天線尺寸，可在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙頻段。

多波束；雙頻段；天線；通信系統(tǒng)

1 概述

文章面向抗干擾多功能通信系統(tǒng)建設(shè)，研究了Ka/Ku頻段復(fù)合多波束天線體系架構(gòu)，突破雙頻段高集成天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、小型化多波束天線原理樣機(jī)，為未來高速率多功能通信衛(wèi)星收發(fā)系統(tǒng)研制打下基礎(chǔ)。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)方案選擇

多波束的實(shí)現(xiàn)方式包括數(shù)字多波束體制與模擬多波束體制，如圖1所示。

數(shù)字多波束體制基于數(shù)字波束合成（Digital Beam Forming，DBF）形式，各個(gè)射頻通道無需使用移相器件，不同波束指向可直接通過數(shù)字信號(hào)處理以及波束形成網(wǎng)絡(luò)。理論上波束數(shù)量可根據(jù)算法無限擴(kuò)展。模擬多波束體制主要基于針對(duì)波束數(shù)量擴(kuò)充的移相通道數(shù)量，即移相器件的規(guī)模，形成方式較簡(jiǎn)單，但受限于器件數(shù)量、物理尺寸等因素，波束數(shù)量不具備可擴(kuò)展性。兩種體制在實(shí)際應(yīng)用功能上無顯著差異。

而此項(xiàng)目有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）和G/T值提出了高要求，必然導(dǎo)致天線單元數(shù)量、組件的通道數(shù)量極多，陣面規(guī)模巨大，對(duì)如此大規(guī)模的DBF實(shí)現(xiàn)提出了難題，因此采用移相器件為基礎(chǔ)的模擬多波束體制。

雙頻段相控陣天線的共口面布陣，相對(duì)于一個(gè)頻段設(shè)計(jì)一個(gè)陣面進(jìn)行布局而言是合理利用陣面口徑的最佳方案。本項(xiàng)目中采用收發(fā)陣分置一體化的方案，則采用Ka/Ku發(fā)射陣共口面，以及Ka/Ku接收陣共口面的形式。結(jié)合單元天線的間距、單元本身的物理尺寸，采取Ku低頻段單元均勻布陣形式，并充分利用Ku低頻段單元的間隙來排布Ka高頻段單元，通過高效、快速的稀疏/稀布陣面設(shè)計(jì)算法，如方向圖快速計(jì)算方法和綜合算法，采用稀布陣形式排布Ka高頻段單元。最終，通過兩種形式的布陣形式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)雙頻段共口面混合布陣形式。混合布陣示意如圖2所示。

圖1 多波束體制

圖2 多頻段共口面混合布陣結(jié)構(gòu)示意

2.2 陣列規(guī)模

2.2.1 發(fā)射陣列規(guī)模

根據(jù)Ka與Ku發(fā)射工作頻段、發(fā)射通道輸出功率性能、Ka稀疏布陣與Ku均勻布陣以及±60°掃描無柵瓣的要求，采用矩形布陣的Ku發(fā)射陣元間距為10 mm，在Ku陣元的間隙布局Ka陣元，發(fā)射陣列布局如圖3所示。Ku單元共16個(gè)，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)2個(gè)Ku發(fā)射通道，共32通道；Ka單元共16個(gè)，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)1個(gè)Ka發(fā)射通道。

圖3 天線布陣方式

2.2.2 接收陣列規(guī)模

根據(jù)Ka與Ku接收工作頻段、Ka稀疏布陣與Ku均勻布陣以及±60°掃描無柵瓣的要求，采用矩形布陣的Ku發(fā)射陣元間距為12 mm，在Ku陣元的間隙布局Ka陣元，接收陣列布局如圖4所示。Ku單元共16個(gè)，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)2個(gè)Ku接收通道，共32通道；Ka單元共16個(gè)，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)1個(gè)Ka接收通道。

2.2.3 波束掃描范圍

（1）單波束掃描方向圖。稀疏布陣的Ka發(fā)射天線單個(gè)發(fā)射波束掃描方向仿真結(jié)果如圖5所示，覆蓋±60°范圍。

圖4 接收天線布陣方式

圖5 單個(gè)發(fā)射波束掃描方向

（2）波束掃描方向圖。陣面同時(shí)形成不同指向的典型波束4掃描方向如圖6所示，滿足功能要求。

圖6 4波束發(fā)射波束掃描方向

3 結(jié)語

文章主要介紹Ka/Ku頻段復(fù)合多波束天線，采用模擬多波束體制，通過4組移相器分別控制4個(gè)獨(dú)立波束，實(shí)現(xiàn)4個(gè)波束實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星。實(shí)驗(yàn)證明，通過混合布陣減小天線尺寸，可在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙頻段。

[1]李勇，戴明，常立新.一種Ka頻段多波束天線設(shè)計(jì)研究[J].無線電工程，2012（8）：41-42.

[2]丁偉，陶嘯.Ka頻段寬帶通信衛(wèi)星多波束天線技術(shù)概述[J].空間電子技術(shù)，2015（5）：8-13.

Study on Ka/Ku band multibeam antenna

Yang Tao
（Nanjing Panda Handa Science and Techrology Co., Ltd., Nanjing 210014, China）

In this paper, Ka/Ku band composite multibeam antenna is introduced, which adopts an analog multibeam system to separately control four independent beams through four sets of phase shifter, and realizes four beam real-time tracking satellites. Experiments show that reducing the size of the antenna by hybrid array can realize the dual band in a small space.

multibeam; dual frequency section; antenna; communication system

楊濤（1984— ），男，山東萊蕪人，工程師，碩士；研究方向：天線阻面。