卫星测控通信地面站多天线布局的分析与设计方法

张远帆， 赵军祥， 陈爱平

(北京跟踪与通信技术研究所 北京 100094)

引 言

随着我国航天事业的快速发展，卫星测控通信地面站的设备配置逐渐增加，很多站点都在持续地进行着扩容改造，同时整星出口项目逐渐增多，用户国家中有很大一部分是首次建立本国的卫星通信系统，往往需要我们提供包含卫星控制、在轨测试、载波监控及通信业务管理的一揽子解决方案，卫星地面站的建设规模也逐渐增大。无论是现有地面站扩容改造，还是新建站，多天线的布局设计已成为地面站系统总体设计的重要环节。多天线的布局分析是一个复杂的多约束条件下的求解问题，随着天线数量的增加，其复杂度呈几何级数增长。一旦天线布局确定，若在基建施工开始后再进行修改，则会造成严重的经济损失，并影响工程进度，因此布局分析必须在设计阶段做到详实准确。

1 多天线布局的制约因素分析

1.1 电磁干扰

天线场区的电磁干扰主要来自两个方面:一方面是天线场区周围的电磁环境，例如来自附近微波站的同频或邻频电磁辐射等，这就需要在地面站建站前的选址阶段进行站址的电磁兼容性测量[1]，检测站址环境是否有地面站工作频段的同频或邻频干扰，确定干扰的方位及电平值等，作为建站选址的依据;另一方面则是地面站发射系统和接收系统之间的同频或邻频辐射干扰，本节对该情况进行重点分析。

1.1.1 分析模型

天线间的互耦分析在车载、舰载及卫星天线布局设计中都是非常重要的环节，其分析方法与天线的物理结构、布局的区域限制都有很大关系。地面站天线间的互耦分析有如下特点:

①卫星测控通信地面站的天线均为大口径的抛物面反射器天线，具有较高的定向性［2］，主要能量都通过主瓣在很窄的波束范围内定向辐射，发射和接收增益随着旁瓣角度的增加迅速衰减。图1 为实测的C 波段13m 全动天线(C-Band 13m FMA) 系统发射方向图，该天线普遍应用于同步卫星测控站，其副瓣增益(单位: dBi) 的变化可近似用式(1) 表示(参照ITU-ＲS． 580-6［3］) 。

式(1)中，θ为副瓣偏离主瓣的角度。

基于以上特点，对地面站天线的互耦分析主要考虑杂散辐射和阻塞干扰两个方面，分析模型如图2所示。

图1 C-Band 13m FMA发射方向图

图2 卫星测控通信地面站天线互耦分析模型

假设有两套C-Band 13m FMA发射和接收系统，其发射和接收方向图符合ITU-R S.580-6[3]，发射频带为5900MHz～6400MHz，接收频带为3700MHz～4200MHz，发射系统的部分能量通过副瓣辐射落入接收系统的主瓣内，发射和接收天线间的距离为R，发射系统配备CPI 3kW速调管功放，在正常执行任务时发射功率为300W，接收系统配备Paradise C频段低噪声放大器(LNA)，线极化发射，圆极化接收。

1.1.2 杂散辐射

由于发射机中的功放、混频、滤波等器件工作特性非理想，会在工作带宽以外较宽的范围内产生辐射信号分量(不包括带外辐射规定的频段)，包括电子热运动产生的热噪声、各种谐波分量、寄生辐射、频率转换产物以及发射机互调等。该部分信号统归为杂散辐射，因为其分布带宽很广，也有文献称为宽带噪声(Wideband Noise)。

CPI 3kW速调管功放在系统接收频带内(3.7GHz～4.2GHz)产生的杂散辐射密度值为-135dBW/4kHz[4]。假设该频带内的杂散辐射通过发射天线的主瓣辐射出去，并完全通过接收系统的主瓣接收，则其在接收系统频带内产生的杂散噪声功率可由表1的换算关系求得。

表1 杂散噪声功率换算表

由表1可知，卫星下行信号在接收系统内的电平为-175.9dBW/Hz，而落入接收频带内的杂散噪声电平应比接收信号电平至少低10dB才不会影响解调，因此为了不影响信号的正常接收，带内的杂散噪声电平应为-185.9dBW/Hz。当杂散噪声通过主瓣辐射落入接收系统主瓣时，带内的杂散噪声电平为-141.32dBW/Hz。可见，为了避免杂散噪声干扰，须将杂散噪声电平降低44.58dB，这可通过两种途径实现:

①距离隔离:增加收发天线间的距离，即增加自由空间传播损耗;

②角度隔离:调整发射天线角度，使杂散信号通过副瓣辐射，降低辐射增益。

在该分析模型中，若保持天线间距不变，通过角度隔离来降低杂散辐射，则可求得发射天线的辐射增益应为7.42dB，通过式(1)可反算出发射天线的偏置角度θ=7.3°，即当发射天线相对于接收天线在方位或俯仰轴偏置大于7.3°时，通过副瓣辐射的杂散功率落入接收系统频带内所产生的干扰不会影响信号接收。通过在不同的天线间距状态下计算避免杂散干扰的天线偏置角度，可得到针对该分析模型的杂散干扰距离、角度隔离曲线，如图3所示。

1.1.3 阻塞干扰

图3 杂散和阻塞干扰的距离、角度隔离曲线

虽然阻塞干扰并非落在被干扰系统接收带宽内，但由于干扰信号功率太强，会将接收系统的低噪声放大器推向饱和区，使其不能正常工作。被干扰系统可允许的阻塞干扰功率一般要求低于LNA的1dB压缩点。在接收系统场放前端加装接收频带的带通滤波器可以大幅提高抗阻塞干扰能力，但同时也会降低接收系统性能。本节我们主要分析在不配置滤波器的情况下，带外能量对接收系统的影响。

与杂散辐射干扰的分析相同，假设上行功率通过发射天线的主瓣辐射出去，并完全通过接收系统的主瓣接收，则其在接收系统产生的阻塞功率可由表2的换算关系求得。

通过表2可知，接收系统的阻塞功率为76.64dBm，若要使阻塞功率低于20dBm，在天线间距(60m)不变的情况下须偏置发射天线，使发射增益降至-0.74dB，计算可得偏置角度应大于15.47°。在不同的天线间距状态下计算避免阻塞干扰的天线偏置角度，可得到针对该分析模型的阻塞干扰距离、角度隔离曲线，如图3所示。

卫星测控通信地面站配置的天线多为D/λ≥100的大口径抛物面反射器天线，由以上分析可见，由于该类天线具有高度定向性，天线间的电磁辐射干扰与天线主瓣指向密切相关。而为同一颗卫星配备的测控通信天线，在执行任务时，其主瓣指向相同，则发射系统的大部分能量都辐射到了卫星指向的空间，不会产生天线间的电磁干扰，因此为单一卫星提供测控通信服务的新建站，其天线布局不需要考虑天线间的电磁干扰。但对于扩容改造的地面站，特别是为多颗通信卫星服务且卫星的经度跨度比较大时，必须要考虑分别为两颗卫星服务的同频段天线的相互位置，避免在任务状态下天线的主面在另一副同频段天线的副瓣照射范围内，如果无法避免，则应根据发射和接收系统的天线口径、设备配置、发射功率、极化等条件计算发射和接收系统的互耦情况，确保天线间距离和角度隔离满足杂散辐射和阻塞干扰要求。

表2 阻塞功率换算表

1.2 物理遮蔽

对于为单一卫星提供测控和通信服务的新建地面站，在场区电磁兼容测试之后，天线的布局设计就只需考虑天线的物理遮蔽了。物理遮蔽的测量主要包括两个方面:

①天际线:天际线是指地面站站址向四周远望所看到的地球表面与天空的交界线，天际线与水平面的夹角即为天际角。天际线的测量通常在选址前的电磁兼容测试时完成，选择站址时应确保在卫星朝向，天线工作的仰角要大于该方向的天际角10°以上[6];

②天线之间的相互遮蔽:在有限的场区内需要同时部署多副天线时，天线之间的相互遮蔽成为布局设计需要考虑的主要问题，应确保所有天线在卫星朝向的遮蔽低于卫星仰角3°以上[7]。

1.2.1 天线遮蔽模型

为了方便计算天线之间的相互遮蔽范围，选用地平坐标系作为布局分析的基准坐标系。在地平坐标系中，以一副天线的旋转中心为坐标原点(O)，基本面为原点的大地水准面，基本指向(X轴)为基本面内原点指向南，Y轴为基本面内原点指向东。

场区内的天线可抽象为地平坐标系的球体，球心为天线的旋转中心，球半径为天线的主面半径。坐标系内天线的位置可由坐标(xi，yi，zi)确定，其中xi表示天线基座中心与原点在南北方向上的距离，yi表示天线基座中心与原点在东西方向上的距离，zi表示天线旋转中心与原点的高度差，即zi=Hi-H0，其中Hi表示第i副天线的旋转中心高度，H0表示位于原点的天线旋转中心高度。

1.2.2 方位遮蔽

将地平坐标系内的任意两副天线投影到XOY平面，可得到方位遮蔽的计算模型，如图4所示。

图4 方位遮挡计算模型

图4中，(xi，yi)、(xj，yj)分别为天线i和天线j在XOY平面内的坐标，Ri和Rj分别为天线i和天线j的主面半径，ab=Dij为两天线基座中心距离，de和fg为与两圆相切的直线，α为两天线基座中心连线与X轴的夹角。

设天线j指向天线i时的方位角为A，由图4可知，天线j入遮挡的方位角为A-β，出遮挡的方位角为A+β。

方位角A与两天线的相对位置有关，其与α的关系可由式(4)确定。

1.2.3 俯仰遮蔽

将地平坐标系内的任意两副天线的旋转中心相连，经过此连线作XOY平面的垂面，将两副天线投影到此垂面上，可得到俯仰遮蔽的计算模型，如图5所示。

图5中，zi和zj分别为天线i和天线j相对于原点的旋转中心高度，ab=dij为两天线旋转中心距离，de和fg为与两圆相切的直线，E为天线j指向天线i时的仰角。

图5 俯仰遮挡计算模型

由图5可知，天线j入遮挡的俯仰角为E-γ，出遮挡的俯仰角为E+γ。

1.2.4 天线遮蔽的仿真计算

对于天线布局，在选定原点后，可对各天线的位置信息进行量化，得到各天线在遮蔽模型内的坐标，而后根据方位遮蔽和俯仰遮蔽的计算公式，利用仿真工具即可进行各天线遮蔽角的仿真计算及作图。

图6 天线遮蔽的基础分析图

以在建的某通信卫星地面站为例，主站所在位置为北纬 36.7°，东经 2.6°，卫星定点位置为西经 24.8°，天线指向卫星的方位角为221°、俯仰角为39.8°。根据站址的经、纬度可获得该站可见的同步轨道观测曲线[8]，与天际线结合，可形成天线遮蔽的基础分析图，如图6所示。

测控系统需要在东西宽度约100m的区域内部署六副天线(包含在轨测试和载波监视)，还需要为通信业务系统预留尽量多的天线场区。由于东西向的天线场区资源有限，因此天线的部署采用南北两排的方式，除了保证在卫星视角方向无遮蔽外，还应尽量加强C-Band 13m FMA在仰角高于5°全弧段范围内的观测能力。六副天线的简要信息和部署方案如图7所示。

图7 天线部署方案

取C-Band 13m FMA为零点，量化后的各天线位置数据如表3所示。

表3 天线位置的量化数据

以部署方案中各天线的坐标为输入，通过天线遮蔽模型可得到六副天线的相互遮挡数据。表4为其余五副天线对C-Band 13m FMA的遮挡数据，其中A为被遮挡天线指向遮挡天线的方位角，E为俯仰角，DE为俯仰向出遮挡的角度，A0为方位向入遮挡的角度，A1为方位向出遮挡的角度，DA为方位向的遮挡宽度。

表4 天线遮蔽数据

以表4的数据为基础，用散点图的方式直观地给出C-Band 13m FMA的可观测范围，如图8所示。以方位角(0°～360°)为横轴，以俯仰角(0°～90°)为纵轴，对每副遮挡天线取三个采样点，分别是(A0，E)、(A，DE)和(A1，E)，用平滑圆曲线(圆半径为DA/2)连接这三个采样点，即可得到目标天线被此副天线遮蔽的范围，曲线下方即为遮蔽区域。由于场区内的各天线对同一卫星的观测视角相差无几，因此卫星视角仅用一点表示即可。

图8 C-Band 13m FMA观测能力图

通过调整天线的位置数据，可利用仿真工具实时地获得各天线的观测能力图，进而在设计阶段对天线的布局进行优化。

2 多天线布局设计

2.1 设计原则

对于执行同步轨道卫星测控及通信任务的地面站，多天线布局设计可依据以下原则:

①位于北半球的地面站，天线应尽量部署在主建筑以南，位于南半球的地面站，天线应尽量部署在主建筑以北，以减少在卫星朝向建筑物对天线的遮蔽;

②天线与射频机房的距离应尽可能小，以减少馈线损耗;

③在满足观测任务需求的情况下，天线之间的距离应最短，以增加天线场区的容量;

④确保各天线在卫星视角无遮蔽。对于需要全弧段观测的天线，在观测弧段内的仰角(可见的整个同步轨道弧段上的卫星仰角)与该方向的遮蔽角差值大于3°;

⑤若天线数量较少，可采用东西展开部署。若天线数量较多，必须采用南北多排部署时，应将旋转中心高、口径大的天线置于北侧(站址位于北半球，南半球则相反)。

2.2 设计方法

对于新建地面站，多天线的布局设计主要考虑场区周边建筑物及天线之间的物理遮蔽。根据天线遮蔽模型，利用仿真工具可实现自动化的分析计算和作图，得到各天线间的遮蔽数据，并通过遮蔽区域图直观地显示出来，通过调整天线部署方案，进行若干次的计算和调整，即可得到满足要求的布局结构。具体设计过程可遵循以下步骤:

①根据站址坐标计算其可见的同步轨道弧段，形成曲线图，并结合天际线测量结果，用作与仿真结果进行对照的参考;

②根据天线场区条件及天线规格数量形成布局的初步方案;

③对初步方案进行量化，选取零点，获得各天线相对零点的位置，根据天线遮蔽模型计算遮蔽角并作图;

④检查天线遮蔽图示，调整天线的位置参数，反复几次，即可获得优化的天线布局。需要注意的是，参与发射和前期轨道段任务的测控天线需要在仰角10°以上的全弧段无遮蔽。

对于扩容改造的地面站，新建天线的部署较为复杂，需要考虑以下方面:

①如果新建天线与原有天线群的工作朝向不同，则首先要参考站址的电磁兼容性测试报告，确认在新建天线工作朝向的同频干扰电平不会影响新建接收系统工作;

②如果原有天线群和新建天线的工作朝向均为低仰角，且朝向相反，则应尽量将新建天线部署在原有天线群工作朝向相反的一侧。如果因为场地限制无法实现，则有可能使原有天线群的同频天线主面落入新建天线副瓣的辐射范围，此时须根据部署位置、距离、设备配置等条件计算天线间的阻塞、杂散干扰，并调整新建天线与原有天线群的相对位置，以满足距离、角度隔离要求。

③在新建天线部署位置的初步方案确定后，须按遮蔽模型重新进行天线场区遮蔽的仿真计算，确保天线间在工作朝向上无遮蔽。

3 结束语

本文对多天线布局的制约因素进行了分析，给出了针对杂散辐射和阻塞干扰的距离、角度隔离计算方法。在以往设计中天线的互耦问题并不突出，其主要原因是天线群的规模及执行任务的复杂度有限。随着测控通信事业的发展，将会出现拥有更大规模天线群、为更多卫星提供服务的地面站，电磁干扰分析也将成为天线群布局设计的重要环节。

本文建立了天线物理遮蔽的简易计算模型，并通过仿真工具自动计算及作图，以散点连线图的方式对天线的观测能力进行了形象的描述。这种方法实际上是一种图解和试探的综合方法，通过调整与尝试进行多约束条件下的分析求解，将复杂的计算设计问题简化为一种实用、高效的设计方法，为多天线在有限场区内的密集部署提供了实用的分析工具，可广泛应用于测控、通信地面站的多天线布局设计。

[1]王小强，张志华，等.卫星通信地球站电磁环境的测试[J].数字通信世界，2009，(8):81～82.

[2]林昌禄，陈 海，吴为公.近代天线设计[M].北京:人民邮电出版社，1990.

[3]ITU-R S.580-6.Radiation Diagrams for Use as Design Objectives for Antennas of Earth Stations Operating with Geostationary Satellites[S].2003.

[4]CPI.C-Band Compact Klystron High Power Amplifier[OL].http://www.cpii.com/docs/datasheets/20/mkt111.pdf.

[5]Paradise.RF3 Series C-Band LNA [OL].http://paradisedata.com/files/trnsfr/lna-sidebar/200414_RevN.pdf.

[6]GB 13615-92.地球站电磁环境保护要求[S].国家无线电管理委员会，1995.

[7]林荣乐.卫星测控通信地面站的多天线布局的简易优化设计方法[C].航天测控技术研讨会，北京，2010:58～61.

[8]陈芳允.卫星测控手册[M].北京:科学出版社，1992.