美国第一代TDRSS多模天线分析

中国电子科技集团公司第五十四研究所 武 伟 韩国栋

美国第一代TDRSS多模天线分析

中国电子科技集团公司第五十四研究所 武 伟 韩国栋

针对美国第一代TDRSS卫星SMA天线，结合其星载系统所承载的能力，对SMA天线的性能指标以及天线排布、形式进行仿真模拟分析，仿真的结果显示与文献上给出的结果相吻合。本文研究的内容可为后续的我国类似工程的开展提供技术支持和借鉴。

TDRSS；SMA；非周期排布；螺旋天线

1 引言

TDRS是充分利用太空的高空资源,把地面的测控及通信站搬到空间地球静止轨道的卫星上去。只要发射两颗星,空间角位置上间距130度,便对所有轨道高度约1200公里至12000公里近地轨道飞行器可实现100%的连续跟踪覆盖,对轨道高度约200公里的飞行器,也可实现85%覆盖。所有用户飞行器、空间站核心站,可利用TDRSS中的任一颗进行双工通信。地球站通过TDRSS可间接与用户星建立通信链路,借助TDRSS的中继,地球站可对各用户星测轨定位,可大量裁减陆地测控站、测量船,同时也减少建设、维修和操作费用。

本文依据外文资料,拟针对美国第一代TDRS中继系统中SMA的多模天线进行仿真分析,研究其功能实现,波束覆盖等问题,为我国类似项目的开展提供一定的借鉴。

2 TDRS天线布局设计

TDRS卫星在工作时,用户所使用的接收波束范围,如图1所示。

图1 TDRS使用示意图

可知,在TDRSS中继星上相对于地球的视场范围为：

TDRS相对于低轨卫星的视场为：

在上述公式中,由于数据信息为估算值,故采用了近似的角度。在实际计算时,可以根据卫星、地面站的具体位置给出较为精确的角度数值。另外比较重要的信息为卫星上天线的指向相对于地球上地面终端的角度,定义和分别表示天线的法向相对于地面接收站的角度,其中：

图2 角度指示图

TDRS的SMA天线可以同时提供用户20个独立的波束。该天线由30个螺旋天线组成,分别固定在天线阵列骨架的表面。如图3所示。其中,30个单元接收的信号分别发射传输到地面独立的接收信道,在地面接收终端中,将不同用户的信息利用波束形成算法(利用30个单元和TDRS到用户的相位相关性)分别提取出来,波束形成算法全部在地面接收终端中完成。值得注意的是,30个通道之间的相位关系必须精确求出,以便计算移相器的移相码形成所需的接收波束。

需要说明的是,在这30个单元中,有12个单元为收发双工,剩余的18个单元为接收。该阵列的波束指向为天顶,在进行布阵时,最大限度的考虑了天线单元之间的互耦,并也考虑了K频段反射面天线对其的影响。天线单元增益为16dBi,重量6盎司。图3中,绿色圆部分为螺旋天线,粉红色的圆环为嵌入到阵列中的K频段1.1米反射面天线。

图4 模拟的单元方向图

图3 SMA天线单元排布

图5 阵列合成两维波瓣图

图6 阵列合成俯仰面波瓣

图7 阵列合成方位面波瓣

在SMA阵列中,天线的排布并不是周期排列,而是每一个单元具有自己独立的位置,与其他单元不相干。

3 性能分析

根据天线单元的位置关系,再辅以天线单元的方向图就可以求出阵列的整体性能。在计算中,对天线单元的方向图进行模拟设计,模拟的单元波瓣约为27度,单元增益大约16dB(如图4所示)。

对阵列的合成波束进行仿真分析,首先计算SMA天线阵列30个单元合成时的法向波束,接着将会计算波束在指向白沙地面接收终端站时的性能,同时,还可计算出在阵中某一个单元的性能情况。

在计算时,考虑均匀的幅相分布,暂时不考虑幅相误差,也没有考虑阵中反射面天线对周围天线性能的影响。此时阵列天线方位和俯仰面的波束宽度均大约为3度,阵面增益大约为30.5dB (如图5-图7所示)。

从目前TDRS第一代的相控阵的排布看,如果阵列要实现14度的扫描范围,则其增益损失会比较严重,同时会引起栅瓣的产生,其波束指向精度会严重下降。此时天线增益下降大于3dB,在某些角度甚至出现更差的增益下降,同时栅瓣抬起,比主瓣方向性大5.5dB(如图8-图11所示)。

图8 方位面扫描14度

图9 方位面扫描14度二维波瓣

图10 俯仰面扫描14度

图11 俯仰面扫描14度二维波瓣

4 实物仿真分析

SMA阵列的天线单元为单绕螺旋天线,为左旋圆极化形式。在设计螺旋天线时,按照螺旋天线的设计原理,设频率为2.2875GHz,首先假定天线单元的方向图为：

则对于螺旋天线单元,上式中的x可以近似为：

则对于在法向时的天线辐射特性,遵照Hospital定理：

则在扫描角度内,天线的增益下降为：

依照前述的天线单元增益为16dB计算,则在半功率波束宽度时,天线单元的增益近似为13dB左右。

确定螺旋天线的环间距为S=16mm,环直径为42mm,天线环数为39。仿真后天线单元的增益为16.1dB,波束宽度为26.8度。单元的形式与仿真后的波瓣图,如图12-图14所示。

图12 螺旋天线示意图

图13 单个螺旋天线以及辐射图

图14 左右旋圆极化信号比较

对天线单元进行组阵分析,利用现有的软件进行实体建模,同时考虑在阵中有K波段反射面天线的放置时,对天线性能的影响。根据文献资料可知,反射面天线直径为1.1米,反射面深度为0.35米。

采用电磁仿真软件对阵列法向辐射进行仿真,阵列的天线增益为30.4dB,与前期仿真的30.5dB吻合的非常好,方位面和俯仰面的波瓣图也与前期的Matlab仿真结果吻合很好,且可以看出,在法向时,反射面天线对其影响较小,与前期不考虑反射面影响时几乎一致,如图15-图16所示。

图15 带有反射面的天线阵列模拟图

图16 方位和俯仰面面法向波瓣图

5 结论

本文对美国TDRS的成功范例SMA阵面设计方法、天线单元形式等进行了比较深入的剖析, 并对阵面排布进行编程仿真, 得到了相应的波瓣性能和指标, 与所得到的文献中相关数据较好地吻合。希望结合国内己有的有关文献能对我国类似的研制工作有所裨益和借鉴。

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