Ku頻段散射角分集天線技術

梅立榮，肖 卓，李 陽，李志勇，王棟良，劉麗哲，郎 磊，褚素杰，焦學強

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081；3.中國人民解放軍96764部隊，河南 洛陽 471000)

0 引言

對流層散射通信是利用對流層散射信道進行通信的一種超視距通信方式，具有抗核爆炸能力強、通信保密好、通信容量大、通信距離較遠、機動性好等特點。

對流層散射通信的信道是一種擴散衰落信道，因此，所接收到的信號存在著嚴重的衰落，導致通信鏈路質量變壞，降低了通信系統的可靠性。為此，系統設計時，要盡可能地增加系統的抗衰落能力。分集接收技術是克服快衰落影響、提高系統信噪比最有效的一種措施，它將所需要傳輸的信息復現成若干個基本獨立的信號，然后有效地合成起來，使信號相互彌補和加強，噪聲相互抵消，以獲得較強、較穩定的信噪比。通常采用的分集方法有：空間分集、頻率分集、角分集、極化分集、時間分集、編碼分集等。目前空間分集及頻率分集在實際中應用得較多，采用空間/頻率分集方式的對流層散射通信系統能夠很好地克服散射信道中的多徑和快衰落現象，但是在要求高機動的應用中存在一定的局限性。因此，能夠減少設備數量的角分集技術成為了散射通信系統研究的技術熱點[1-5]，所謂角分集(Angle diversity)，是指不同到達角的信號之間的分集，就是用幾個不同的天線波束同時接收幾個不同角度方向來的信號，然后進行合成的接收方式；由于散射信道中的多徑傳輸，使接收天線上不同到達角的信號相位、幅度均不相同，且不同到達角之差越大，信號之間的相關性越小。因此，可利用來實現角度上的分集接收。

本文擬研究散射通信系統中的角分集天線技術，通過該技術的研究，可使得原來兩副天線才能完成的任務通過一副天線就能實現，既減輕了設備體積和重量，又降低了成本，適合于散射通信系統的快速機動部署應用。

1 散射通信角分集天線的國內外現狀

在歐美，關于角分集技術在對流層散射通信中的應用已經進行了廣泛的研究。1981年，Sigtron公司P.Monsen和S.A.Parl等對散射角分集技術進行了大量理論研究和實驗驗證。實驗表明，當兩分集波束之間的夾角大于一個波束寬度時，接收到的角分集信號相關性很小，但是斜射損耗隨散射角增加而劇烈增加。對于窄帶信號最適宜的波束夾角近似為發射信號的1倍波束寬度；對于寬帶信號近似為發射信號的0.75倍波束寬度[6]。國際上采用角分集天線技術的散射通信設備的研究情況如表1所示。從表中可以看出，散射通信設備角分集天線主要集中在C頻段及Ku頻段，選取的天線面口徑在C頻段≥3 m，在Ku頻段≥0.75 m。

表1 國際上采用角分集技術的散射通信設備

設備名稱工作頻段天線尺寸/m發射機功率/kW通信距離/km英國TACTROPC4.51100～250法國AlcatelC4.60.5200～300意大利4TP1500L4.5/6/91中遠距離美國TFLAC32美國DART-TKu2.41.25160美國TELOSKu0.750.25≥64俄羅斯C5.0

在中國，“七五”期間開展了關于散射角分集技術的相關研究，主要是16路的移動散射通信設備，它是一個配套齊全的車載散射通信系統，該系統配備了4.5 m折疊天線，饋源形式為并排放置的喇叭饋源，但是由于分集波束夾角太大，未能取得理想的分集效果；2000年，中國電科54所的楊可忠分析了采用多模饋源實現角分集的原理，并討論了利用多模饋源實現角分集的方案[7]。雖然開展了相關的技術研究，但是在散射角分集的試驗數據方面在中國還處于空白狀態。所以開展散射角分集天線技術研究及散射角分集的測試試驗具有重要意義。

2 Ku頻段散射角分集天線設計

角分集天線是散射角分集通信系統的關鍵部件，是能否實現角分集接收的關鍵技術。散射角分集雙波束的實現原理如圖1所示，分別偏離焦點的角分集饋源發出的兩個波束照射到反射面上，經反射面反射后形成具有一定夾角的兩束高增益角分集波束。

圖1 偏置角分集天線波束成形原理

設計的Ku頻段散射角分集天線主要包括角分集饋源及偏置的拋物反射面，饋源為一個四端口、雙線極化、角分集的雙波束饋源。該饋源由正交模耦合器和介質桿天線組成，在結構上具有緊湊、簡單、穩定、便于加工的特點。其基本原理如圖2所示。

圖2 角分集饋源系統組成

正交模耦合器是角分集天線饋源的關鍵部件，它賦予分集波束不同的極化方式，可以增加兩波束之間的隔離度，使分集波束更加獨立[8-10]。介質棒天線的設計對角分集天線的性能起著至關重要的作用。介質桿天線通過在開波導結構中加載介質桿實現，介質桿天線與其饋電波導一樣具有低剖面和結構簡單的優點，并且能夠很好地和饋電波導兼容[11-14]。在角分集天線饋源中引入介質桿天線代替饋源喇叭，可以有效地減小饋源的橫向尺寸，有利于波束夾角的優化。

將正交模耦合器及介質桿天線組合形成的角分集饋源模型如圖3所示，其中端口1和端口4是水平極化端口，端口2和3為垂直極化端口。

圖3 角分集饋源仿真模型

將角分集饋源與反射面組合形成的角分集天線模型如圖4所示[15]。

圖4 角分集天線仿真模型

通過仿真得到的角分集天線增益結果匯總如表2所示，角分集天線波束寬度及波束夾角關系的結果匯總如表3所示。

表2 角分集天線增益仿真數據匯總

角分集天線頻率/GHz增益/dBiP1P2P3P4fL45.845.545.445.8f046.146.245.846.1fH46.346.346.246.3

表3 角分集天線波束寬度與波束夾角仿真數據匯總

頻率/GHzfLf0fH半功率波束寬度/(°)P10.660.640.62P20.650.650.64P30.660.630.61P40.640.610.61波束夾角/(°)P(1,4)0.70.680.66P(2,3)0.70.660.66波束夾角倍率P(1,4)1.071.081.07P(2,3)1.061.041.05

從表2和表3中可以看出，角分集天線的偏焦損耗小于0.5 dB，波束夾角大約為1倍波束寬度，基本滿足進行分集接收要求。

3 Ku散射角分集天線樣機及角分集性能測試

在設計和仿真的基礎上研制了Ku頻段散射角分集天線樣機，如圖5所示。

圖5 角分集天線樣機

利用研制的角分集天線構建了散射角分集性能測試系統，測試系統組成原理如圖6所示。

圖6 角分集測試原理

通過發射端的常規單天線發送單頻信號，接收端采用角分集天線以不同的角度接收來自發射端的信號，通過Ku散射通信設備將信號進行放大和變頻后，獲取兩個具有一定頻率間隔的信號，經合路器合成后送入頻譜分析儀進行測試分析。

測試距離為135 km，發射功率為49 dBm時，角分集相關系數測試計算結果如表4和表5所示。其中端口1和4是一對角分集信號。

表4是慢變化情況下(更新速率1 s,20 mim內的數據)的角分集相關系數計算結果，表5是快變化情況下(更新速率20 ms,1 min內的數據)的角分集相關系數計算結果。仰角0表示接收到的信號電平幅值端口1和端口4基本一致；仰角0.3表示接收到的信號電平幅值端口1比端口4大；仰角-0.45表示接收到的信號電平幅值端口1比端口4小。

表4 慢變化情況下的角分集相關系數

仰角/(°)角分集相關系數(端口1和4)00.580.30.48-0.450.32

表5 快變化情況下的角分集相關系數

仰角/(°)片段名稱角分集相關系數(端口1和4)0數據10.513 3數據20.5730.3數據10.371數據20.465 6-0.45數據10.53數據20.456

由上述測試計算結果可知，在慢衰落及快衰落情況下，角分集天線獲得的角分集相關系數最大為0.58，小于0.6，滿足進行分集接收的條件，初步驗證了采用所研制的角分集天線開展Ku散射角分集通信設備研制的可行性。

4 結束語

在現有散射通信系統中，采用空間分集來克服信道的快衰落影響需要收發端配置兩副或者兩副以上的天線，這樣便使得通信設備的天線數量較多、成本高。散射角分集體制的使用使得原來兩副天線才能完成的任務通過一副天線就能實現，減少了天線數量，降低了成本，同時還減小了設備體積和重量，增加了系統機動性。從研制的角分集天線及角分集性能試驗結果看，在135 km試驗鏈路上獲得的散射角分集相關系數小于0.6 ，滿足進行分集接收的條件，初步驗證了采用所研制的角分集天線開展Ku散射角分集通信設備研制的可行性，并可以在此基礎上進行進一步的研究工作。