GEO移动通信卫星合成多波束天线仿真分析

肖永轩 薛 永 曾小金

(中国空间技术研究院,北京 100094)

1 引言

卫星天线技术的发展特征可以简单概括为[1-2]:从简单的全球覆盖的单波束天线发展到复杂的对一定地理区域赋形覆盖的多波束或点波束天线;模拟波束形成技术向数字波束形成和光学波束形成技术发展;天线结构也开始向大型或超大型可展开结构、低剖面的共形结构和与射频前端集成的微型结构发展。其中,如图1[2]所示的卫星多波束天线目前已成为提高卫星通信性能、降低系统成本的一项关键性技术。多波束天线可以使原先的全球波束或者区域波束的大面积覆盖变为由数十个甚至上百个点波束构成的地面“足迹”,从而大大增加了卫星发射时的等效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power,EIRP)和接收时的天线品质因数(G/T)值。这将使地面终端可以采用较小口径的天线实现高速率数据传输,支持卫星移动通信和宽带通信业务。多波束天线还可根据需要产生扫描波束,进行波束的重新组合,从而使系统具有很大的灵活性。同时,多波束天线可以进行有效的极化隔离和空间隔离,实现频谱复用,从而使通信容量成倍增加。

图1 卫星多波束覆盖立体示意图Fig.1 S tereogram of satellite multi-beam footprint

近十年随着移动通信业务、宽带商用通信业务和军用卫星通信的发展,星载多波束天线技术受到各国的广泛重视,发展迅速,并且成为国外下一代通信卫星的发展方向,各国均开展了多波束卫星的研制和相关技术攻关,取得了突破性进展。GEO 移动通信卫星系统多采用大型空间可展开多波束天线技术,提供足够的EIRP 和G/T 值,实现地面移动终端与卫星的通信,可满足地面移动用户终端与卫星的链路通信需求。如美国波音卫星系统公司(BSS)为阿拉伯联合酋长国研制的先进的大型静止轨道移动通信卫星瑟拉亚-1(T huraya-1)[3],星上装有直径为12.25m 的L 频段收发天线,结合数字信号处理器,形成数字多波束,产生250～300 个支持在轨重构的点波束,支持移动手持终端,覆盖了全球近1/3的区域。

本文主要针对GEO 移动通信卫星的多波束天线进行仿真,使用GRASP、POS 软件中的物理光学(PO)及物理绕射理论(PTD)算法,进行天线及馈源阵列的仿真分析,优化了天线系统的设计参数,改善了波束间的隔离度指标。

2 合成多波束的形成原理[4]

一个任意布阵的N 元天线阵,对于单波束而言,其方向图函数为

式中ρi为第i 阵元的位置矢量;Wi为第i 阵元的复加权系数;er(θ,φ)为辐射r 方向的单位向量。如果需要在(θd,φd)方向出现主波束,则使(θd,φd)方向最大或同相叠加的加权向量为

当需要在不同的方向合成多个主波束,可以用多组加权系数对数组进行加权,每组加权系数在某个指定方向合成多波束,空间方向图为各组加权系数产生的方向图的合成。如果产生p 个波束,则方向图函数为

对于合成多波束的加权系数,可以利用数字处理或模拟电路的方式来具体实现,数字处理的方式即为数字波束成形,模拟电路的方式即为模拟波束成形。

3 PO 及PT D 算法简介[5-6]

散射的问题包含了入射场和反射场。要计算的总的电场表示为

其中EI是入射电场, ES是散射电场。如果反射体表面是理想导体,散射场就由反射面表面感应电流产生。对非理想导体的表面,会计算出一系列的等效电磁表面电流,散射场就由这些电流产生。散射的分析可以分为三个步骤:

1)计算表面感应电流或等效表面电流;

2)计算由这些电流辐射出的电场;

3)将入射电场和散射电场叠加得出总的电场。

PO 对散射场给出以下近似:

PO 电流对感应电流的近似是建立在反射体源于一个无限大平面上的。因此对电流的边缘特性,PO 并没有模拟。PTD 考虑了真实感应电流和PO电流的差距,是PO 电流的一个修正,所以实际的电场是PO 场与PTD 修正场的叠加。

PTD 对散射体亮区边缘等效电流求积分。PTD 电场由入射场的方向决定,并且只有在散射体边缘,入射场是平面波时,PTD 近似才有效。PTD对非理想导体的散射体无效。PTD 是PO 的引伸,其实质是对PO 近似的修正。PO 光学中散射体表面的感应电流是按照几何光学的方法近似求得的。显然,面电流的几何近似只是在散射体被照亮的区域才准确,而在光滑凸曲面上被遮挡部分上,用几何光学近似求得面电流等于零。PTD 能够处理典型的边缘物体散射问题。

4 多波束天线仿真分析

卫星多波束天线技术涉及天线子波束覆盖增益,合成波束覆盖增益,以及波束间干扰抑制的仿真。利用G RASP、POS 仿真分析软件进行天线及馈源阵列的仿真分析,设计反射面天线几何尺寸,馈源及馈源阵列排布,优化天线增益,从而优化天线系统的设计参数,进一步通过设计馈源阵列权值,增加波束间的隔离度指标,提升系统通信性能。

天线的反射面采用投影口径12.5m,机械展开口径为15.6m 的可展开天线系统,进一步天线反射面经过优化后,参数选为,电气投影口径12 500mm,结构口径15 600mm, 焦距7 443mm, 中心偏置8 857mm,馈源偏角为41.5°,辐射半张角为34.3°,如图2 所示,给出了天线反射面模型。

当天线参数F/D(焦径比)一定时,由单馈源形成单个波束的波束交接电平也就确定了[7]。按照文献[7]中的方法,考虑天线的F/D ≈0.6,因此,要实现需要的波束交叠电平,馈源口径应为1λ左右,进一步优化,微带天线形式馈源如图3 所示[8],结构为双层结构,上部分为微带贴片圆极化天线,下部分为馈电网络,通过介质支撑固定上层贴片,馈源口径尺寸为135mm(≈0.9λ),考虑天线布局的紧凑性,馈源间距设定为150mm(≈1λ)。

图2 天线反射面模型Fig.2 Antenna reflector model

考虑馈源的近场互耦效应,在该馈源模型周围增加6 个相同馈源模型,如图4 所示,这样可以得到更为贴近实际的馈源方向图,如图5 所示,图中数值较低的曲线为该馈源的交叉极化。

图3 微带天线馈源模型Fig.3 Microstrip antenna feed model

图4 增加耦合效应的微带天线馈源模型Fig.4 Microstrip antenna feed model with coupling elements

图5 增加耦合效应的微带天线馈源方向图Fig.5 Pattern of microstrip antenna feed with coupling elements

使用64 个馈源,排布应满足子波束(馈源辐射反射面,未经波束成形分别直接生成的波束,即一个馈源对应一个子波束)覆盖服务区,子波束采用六角栅格排列,子波束这种排列可以减少服务区电平的起伏,进一步减小合成多波束在服务区内的电平起伏。因此,馈源阵列的排布如图6 所示,方向余弦(UV)坐标系下的对应馈源阵列子波束覆盖如图7所示,图中标示为子波束边缘(EOC)增益为每个子波束最高增益下降3dB 位置。

图6 馈源阵列排布Fig.6 Feed array topology

图7 馈源阵列子波束覆盖Fig.7 Sub-beam contours from feed array

对应每个合成波束,分别优化图6 中的馈源阵列的权系数[9-10],如图8 所示可以得到UV 坐标系的115 个合成波束的42dB 等增益线的合成波束。

图8 馈源采用微带天线时的合成波束覆盖图(42dB 等增益线)Fig.8 Composite beam contours from microst rip antenna feed (42dB)

经过优化后,可以进一步分析全色复用情况 UV 坐标系下的载干比(C/I),如图9所示,在合成波束对应区域内,C/I 大部分优于-5dB。

图9 馈源采用微带天线时的合成波束C/I 图(单位:dB)Fig.9 C/ I plot of com posite beams from microstrip antenna feed(unit:dB)

5 结论

卫星多波束天线目前已成为提高卫星通信性能、降低系统成本的一项关键性技术。大天线反射面及多馈源组成的空间可展开多波束天线系统,具有更高的天线增益,提高了整体系统性能。本文主要针对G EO 移动通信卫星星上多波束天线波束成形技术,研究了卫星多波束对地覆盖、点波束天线增益以及波束间干扰抑制技术,利用GRASP、POS 等工具软件进行了天线仿真分析,可以优化天线系统的设计参数,改善波束间的隔离度指标,提高系统通信性能和局部地区的信道容量。

尽管该天线已满足系统要求,但对于部分C/I低于-5dB 的区域,下一步的工作将尝试其它馈源形式来降低子波束及合成波束的旁瓣电平,同时进一步优化阵列排布,最大限度内消除覆盖区内子波束及合成波束的电平起伏。

)

[1]周乐柱, 李斗, 郭文嘉.卫星通信多波束天线综述[J].电子学报,2001, 29(6):824-828

[2]贾铂奇.阵列天线多波束赋形技术研究[D].上海:中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 2007

[3]Aston, P S.Satellite telephony for field and mobile applications [C]//Aerospace Conference Proceedings,2000 IEEE.Gaithersburg ,2000:179-190

[4]胡梦中, 宋铮, 刘月平.一种新的低副瓣多波束形成方法[J].现代雷达.2007, 29(10):71-74

[5]TICRA Engineering Consultants.GRASP9 technical description[M/CD].TICRA GRASP9.5.01 installation CD, 2009

[6]TIC RA Engineering Consultants.Reference manual for POS5[M/CD].TIC RA POS5.2.02 installation CD,2009

[7]钟鹰, 曹多礼, 张斌.一种星上多波束天线的波束设计[C]//中国电子学会1999年天线年会论文集.浙江嘉兴:1999:260-269

[8]Ingvarson P, Jostell U, Svedjenas P.Patch-excited cup elements for satellite-based mobile communication antennas[C]// Phased Array Systems and Technology,2000.Proceedings 2000 IEEE International Conference,2000:215-218

[9]谢崇进, 王华芝.卫星多波束天线的Minimax 方法斌形研究[J].北京邮电大学学报, 1997(9):64-68

[10]胡红芬, 白晓红.多波束天线的应用及发展[J].现代雷达,2002, 24(4):69-75