基于跳頻應用的Ka頻段相控陣波束跟蹤技術

李 靖，潘申富，智開宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

衛星通信是保障遠距離通信的重要手段之一,但由于通信衛星始終暴露在空中,而且上/下行信道均是開放的,非常容易受到攻擊,因此,抗截獲、抗干擾能力是衛星通信對抗系統生存的關鍵。目前，衛星通信對抗系統通常采用星上處理、星間光鏈路、抗干擾波形、智能天線波束以及先進的加密技術等保護措施實現上述目的，其中，跳頻是抗干擾波形常用的技術手段[1-7]。

相控陣天線具有波束捷變、多波束、低剖面、易共形、便于空域調零抗干擾等特點，非常適合在衛星通信的各種移動載體中應用。例如，在車載、機載、彈載等機動平臺應用，滿足多波束、低輪廓、高機動、大動態、隱身等條件下的對抗通信需求[8-9]。

近期，關于動中通相控陣天線的研究較多[10-15]，涉及相控陣天線的測試校準、天線單元設計、布局布陣、波束控制、波束信標跟蹤等方面，未見跳頻應用相關論述。對于帶寬1.6 GHz，跳速超過10 000跳的高速跳頻衛星通信系統的移動終端應用，Ka頻段相控陣天線波束指向跟蹤存在三大挑戰：

① Ka頻段相控陣天線存在嚴重的孔徑渡越現象，造成大離軸角度指向時，邊緣頻率存在嚴重的波束指向偏差損失，而系統要求在跳頻時隙的1/1 000左右建立信道鏈路，即在幾十納秒量級的時間內完成Ka頻段相控陣天線波束的指向修正，建立通信鏈路。

② 相控陣天線存在掃描增益下降以及載體高機動性對波束指向的影響，難以區分接收信號減小是因為天線波束指向偏離衛星導致，還是由于天線波束偏離軸向帶來自身增益下降導致。

③ 在跳頻圖案未同步情況下，如何接收衛星信號、提取信號特征，完成天線波束的指向跟蹤，是必須要解決的難點和重點。

1 Ka頻段動中通相控陣波束指向誤差分析與補償

1.1 跳頻應用適應性

陣列天線的原理是，每個天線調整時延τn，使某一方向的來波在相同的波前合成，達到波束指向特定方向的目的，如圖1所示。

圖1 陣列天線工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of array antenna operating principle

在陣列天線中，每個陣元接收到的來波信號(帶通信號)為：

可以看出，受頻率及延遲影響的有包絡和相位兩部分：

② 相位部分ejωc(t-τn)的τn和ωc影響，這里暫不考慮通道間相位誤差影響，假設已完成通道校準工作。相控陣天線用移相代替真時延實現波束形成，相位與頻率密切相關，φ=ωcτn。跳頻應用的情況比較特殊，由于瞬時工作帶寬窄，但是在整個工作頻帶內隨機高速跳變，可近似為瞬時帶寬為寬帶。具體地，頻率從ω1變化到ω2，需要移相器的相位相應的從φ1變化到φ2，保持延遲τn不變，即波束指向不變；如果移相器的相位不隨著跳頻圖案改變，則波束指向出現較大的指向誤差，帶來嚴重的增益損失，如圖2(a)所示。因此，相控陣天線波束指向需要開展基于跳頻圖案同步(或本地同步頻率集)的補償設計，補償后的方向圖如圖2(b)所示。

(a) 補償前

(b) 補償后圖2 60°離軸角時K頻段的指向補償前后對比Fig.2 Comparison before and after directional compensation for K-band at 60°off-axis angle

基于跳頻圖案同步的補償設計通常有兩種解決思路：

① 實時計算并更新波束指向方案。根據當前頻率和指向角，每次重新計算射頻移相器所需的移相值，并通過波控系統下發到射頻移相器，實現波束實時指向修正的目的。如圖3所示，波束更新時間是由a、b、c、d四段時間加一起的總時間，以25 MHz接口通信、100 MHz時鐘的 FPGA計算為例，a、b、c、d四段時間分別估算為7 μs、26 μs、34 μs、0.1 μs，預計總共為67.1 μs左右。因此，實時計算更新波束指向的方式無法滿足高速跳頻應用場景幾十納秒量級的時間要求。

圖3 波束更新時間示意圖Fig.3 Schematic diagram of beam update time

② 子陣延遲補償方案。子陣級延遲補償架構如圖4所示，采用子陣降維的思路，減少延遲補償的工作量。

圖4 子陣級延遲補償架構圖Fig.4 Subarray-level delay compensation architecture diagram

1.2 動中通應用適應性

與傳統拋物面天線波束特性在工作頻帶、掃描范圍內相對穩定不同，相控陣天線的波束指向除了與頻率相關，還與偏軸角度密切相關，如圖6所示，隨著天線波束偏離軸向，出現波束展寬、增益下降等現象。

圖6 相控陣天線掃描增益變化歸一化曲線Fig.6 Normalized curve of scanning gain variation of phased array antenna

同時，由于動中通相控陣終端載體平臺的高機動性，如圖7所示的某飛機航向和橫滾曲線，在飛機轉彎時，橫滾達到14°，最大斜率6.7°/s左右。相應的，波束指向離軸角也隨著變化，導致波束增益變化0～3 dB不等，產生“指向模糊”現象，即無法區分信號減小是天線波束指向偏離衛星導致，還是由于天線波束偏離軸向帶來自身增益下降導致。

圖7 某飛機航向和橫滾姿態變化曲線Fig.7 Course and roll attitude variation curve of an aircraft

對于載體姿態快速變化導致的“指向模糊”問題，需要提前根據暗室測試的天線不同指向方向圖，建立查找表，在波束對星時，根據載體提供的當前姿態，實時計算離軸角度，逆向補償天線波束增益變化，分離出波束對星不準造成的信號增益下降，從而準確地判斷天線波束是否偏離目標衛星。

因此，相控陣天線波束的指向跟蹤，首先需要解耦頻率、偏軸指向與指向偏離目標的關系，準確地實現波束指向，才具備后續的指向對星、捕獲跟蹤衛星功能。

2 基于寬帶高速跳頻信號的的相控陣波束跟蹤

對于目前的相控陣天線，本質上是一個窄帶系統，無法同時兼容信標和業務載波信號，除非采用真時延合成，或者為信標單獨配置一套接收饋電網絡鏈路，這都會增加系統的復雜性，增大體積、功耗、質量。因此，考慮利用信令或業務信號進行跟蹤(以下簡稱“無信標跟蹤”)是相控陣終端的最佳選擇。同時，寬帶高速跳頻信號的隨機性最強，特別是在跳頻圖案未同步的情況下，如何接收衛星信號、提取信號特征，完成天線波束的指向跟蹤，是必須要解決的難點和重點。下面從天線波束跟蹤的三個階段展開分析，即引導指向階段、搜索捕獲階段和高精度跟蹤階段。

2.1 引導指向階段

相控陣終端依據地球站的位置信息、姿態信息以及衛星的位置，計算出天線指向衛星的理論指向角，控制天線波束指向該角度。

引導指向可顯著減小后續環節對衛星的搜索范圍，但不能確保相控陣終端天線主波束一定能對準衛星。這是因為地球站的位置、姿態，衛星位置等參數可能存在較大的誤差，導致計算出的角度值偏離期望的波束方向。

2.2 搜索捕獲階段

搜索捕獲階段一般是天線按一定的步進量和搜索策略調準指向，然后等待一段時間，觀測是否能檢測到衛星下行信號，并根據歷史觀測數據和天線波束特性確認主波束是否已對準衛星。

搜索捕獲階段對跟蹤接收模塊輸出信號的精度要求不高，只要準確地識別信號的有無，并能識別主瓣和旁瓣即可。主要難點是在此階段跳頻圖案未同步，解調器無法實現對跳頻信號的解跳，跟蹤接收模塊需要基于在1.6 GHz帶寬內隨機出現的信號進行識別、特征提取。

2.3 高精度跟蹤階段

高精度跟蹤階段利用跟蹤接收模塊或解調器輸出的信號特征量(信號能量或信噪比)能精確地表征由于天線波束指向誤差導致的天線接收增益變化。

此時，天線波束已基本對準衛星，跳頻圖案已同步，因此跟蹤接收模塊可以通過對解跳和解調后的信號進行處理(能量估計或信噪比估計)，獲得波束指向誤差，閉環實現高精度跟蹤。常見的跟蹤方式有程序跟蹤、步進跟蹤、波束偏轉跟蹤、和差差單脈沖跟蹤等，相控陣天線具有波束快速捷變的能力，因此，采用波束偏轉跟蹤是比較好的選擇。同時，基于跳頻信號的無信標跟蹤，由于跳頻信號的功率遠大于傳統信標功率，因此跟蹤性能可以保證，后文不作重點分析。

2.4 仿真實現

搜索捕獲階段的關鍵對隨機出現的特征信號提取，需要注意的是，由于信號在1.6 GHz范圍內隨機出現，信道幅頻特性會導致與天線指向無關的接收信號功率波動。解決的辦法有兩個：一是指利用特定帶寬內出現的跳頻信號進行跟蹤；二是利用跳頻信號在全帶寬內均勻分布的特性，通過時間累積消除幅頻特性帶來的影響。

采用第一種方法，在搜索捕獲階段基于跳頻信號在1.6 GHz帶寬內隨機、均勻分布的特性，通過觀測固定帶寬內出現的跳頻信號實現信號的識別，以判斷天線主波束是否對準衛星。以Ka頻段相控陣終端(等效0.5 m口徑)接收為例，40 MHz觀測帶寬，每0.2 s輸出一次特征量，分別在凈空條件和雨衰為5 dB的情況下進行仿真，仿真結果如圖8和圖9所示，去擾處理后的輸入信號平均功率和噪聲平均功率分別對存儲的噪底功率歸一化處理，信號和噪聲的歸一化功率可明顯區分。由仿真結果可知，即使存在5 dB的雨衰，也可以很明顯地識別出有無跳頻信號，輸出特征量的波動約0.65 dB，不影響主瓣、旁瓣的識別，可以進行粗略的跟蹤對星。

圖8 凈空條件下歸一化功率Fig.8 Normalized power under headroom

圖9 雨衰為5 dB時的歸一化功率Fig.9 Normalized power at rain decay 5 dB

3 結論

在詳細分析了Ka頻段相控陣終端的跳頻應用特征后，提出基于寬帶高速跳頻信號的相控陣波束跟蹤技術，以相控陣天線的波束特性補償、跳頻信號特征提取關鍵技術為基礎，利用組合慣導的引導指向和解耦“指向模糊”，并結合波束偏轉自跟蹤修正開環誤差，經仿真驗證，可以滿足寬帶跳頻應用場景下的動中通相控陣終端波束跟蹤需求。