便携式卫星终端全空域共形数字阵列设计

王铁丹，陈　乐，唐伟峰，陈望杰，李　磊，孙　昊，李国平

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)



便携式卫星终端全空域共形数字阵列设计

王铁丹，陈乐，唐伟峰，陈望杰，李磊，孙昊，李国平

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

针对便携式卫星终端要求的全空域多目标跟踪能力，基于终端外形设计了一种圆台结构的共形阵列。该阵列由顶面的平面阵列和侧面16条棱面围成的台体构成，顶部平面阵列产生的波束覆盖上半空间的大仰角区域，侧面的16条棱面则负责小仰角区域的波束覆盖。与球面天线相比，圆台阵列在工程实现和波束增益方面具有一定优势。分析了圆台阵列在全空域的增益性能，并考虑到实际应用中的遮挡效应，对空域进行了划分，不同的空域使用圆台不同方位的阵元进行数字波束形成。理论分析和仿真结果表明，圆台共形阵列全空域增益波动较小，性能良好。

圆台阵列；全空域；多波束；卫星终端

0　引言

便携式卫星终端一般是为满足特定需求而设计的，对成本、质量、体积等有较为苛刻的要求。因此，便携式卫星终端的天线设计要满足小型化、高增益、轻量化、低剖面、全空域覆盖等需求。目前，便携式卫星终端天线主要有抛物面天线、平板阵列天线和相控阵天线。相控阵天线具有灵活的波束扫描功能,能够产生同时多波束，可以快速捕获和跟踪多个卫星信号，与抛物面天线和平板阵列天线相比具有较强优势，因此成为目前及将来卫星通信终端的首要选择模式。但单一的平面相控阵天线在低仰角扫描时增益恶化显著，仰角小于15°时，增益恶化达到5dB以上，性能损失较大。

为了达到全空域扫描的目的，有学者将阵面进行倾斜设计[1-5]，使天线单元与水平面成一定角度，但此时旁瓣相对较大；有学者利用球面等阵面进行布阵设计，但球面阵列由于遮挡问题，单一波束可用阵元较少，整体增益有所损失；有学者利用天线罩的折射效应将全空域覆盖波扫集中到一个小的空域范围[6-7]，使平面阵列的有限范围波束扫描折射至全空域覆盖，但天线罩本身将带来较大插损。本文提出一种基于圆台阵列的共形数字阵列设计，并利用射频微系统技术，在完成全空域覆盖的同时，将卫星终端微波通道及数字处理器件集成到阵列内部，提升了系统空间利用率，缩小了便携式卫星终端体积。

1　阵列共形要求

为了减小设备体积，方案将天线、射频通道及数字信号处理等组件进行一体化设计，全部集成到天线罩内部，外观如图1所示。

图4　阵列G/T值仿真结果

一体化接收分系统结构如图2所示。可以看出，整个射频集中于一体化接收分系统中，传输路径短，线缆衰减小；可根据一体化分系统外型进行三维共形设计，在缩小体积的同时满足宽空域覆盖的要求；可采用射频微系统技术，研发专用射频芯片，降低系统的功耗及体积，提高核心器件的自主可控水平。

图2　一体化接收分系统结构示意图

2　阵列设计

天线阵列必须考虑与一体化接收分系统共形的要求，同时考虑满足波束俯仰覆盖范围为0°～75°内的多址能力。一体化接收分系统方案采用三维共形阵列数字波束形成技术同时满足以上2个需求，终端共形阵列如图3所示，采用圆台阵列设计。其中，圆台顶部共12个阵元，其中包含一个BD/GPS天线，侧面为16条棱线，每条棱线布置2个阵元，合路后进行数字波束形成。

图3　阵列设计图

系统的主要指标是系统的G/T值，该值是系统的增益与噪声的比值。由于终端为圆台共形阵列设计，因此阵列存在旋转对称特性(每旋转45°后与原阵列相同)。仿真验证方位角为[0°,45°]、俯仰角为[0°,120°]的G/T值，假设通道噪声系数为1dB，太阳方向能量增益不大于0dB。G/T值与波束指向的关系如图4所示。

取方位角为0°、30°时，阵列G/T值随俯仰角变化趋势如图5所示。

图5　阵列G/T值随俯仰角变化仿真结果

从图5可以看出，G/T值随方位角变化程度不大，方位角为0°、30°时，两条曲线基本重合。图6为俯仰角为0°～75°时，G/T值随方位角变化趋势。图6中曲线近似圆形，G/T值随俯仰角增大而降低，俯仰角为0°时有最大G/T值为-5.52dB/K，俯仰角为75°时有最小G/T值为-8.95dB/K，均大于指标要求。

图6　阵列G/T值随方位角变化仿真结果

系统幅相误差对G/T的影响：幅相误差的幅度抖动服从标准差为0.31dB的高斯分布，相位误差服从标准差为2.23°的高斯分布，进行1000次蒙特卡罗实验，几个典型波束指向下，G/T值抖动结果如图7所示，G/T值最大抖动为0.16dB，满足设计要求。

图7　G/T值受幅相误差影响情况

系统幅相误差对波束指向的影响：幅相误差的幅度抖动服从标准差为0.31dB的高斯分布，相位误差服从标准差为2.23°的高斯分布，其对波束指向的影响的仿真结果如图8所示，最大指向偏差为0.48°，满足指向偏差设计要求。

图8　阵列波束指向受幅相误差影响情况

3　全空域波束预置设计

如图9所示，将整个需要覆盖的圆形空域拆分为多个正六边形的覆盖范围，每个正六边形对应一个波束指向。目标位于该正六边形对应的空域范围内时，即将波束指向该正六边形中心，当目标进入另一个正六边形对应的空域时，将波束指向进行切换。1705个波束可覆盖上述终端俯仰角为0°～75°的空域范围。每个波束指向需要的加权值预先计算完成后存储在便携笔记本或者波束形成FPGA内，待处理软件计算出所需的波束指向后，直接取出加权值，无需再次计算，能有效提高卫星的跟踪速度。

图9　波束覆盖示意图

4　结束语

便携式卫星终端采用圆台共形阵列设计，实现了全空域的波束覆盖，不同入射角度的卫星信号可通过选取不同的接收波束得到多信号的同时接收能力。同时，采用微系统技术将一体化接收分系统集成于天线罩内部，大大减小了系统体积，满足了便携式终端的轻量化、小型化要求。■

[1]Manrique R, Torres R, Dominguez C, et al. Design and prototyping of a microstrip transmit-receive array antenna for mobile Ku-band satellite terminals[C]∥Proc. of European Conference on Antenna and Propagation, Barcelona, Spain, 2010.

[2]冯少东.“动中通”相关技术新进展[J].卫星应用,2007(3):50-52.

[3]康学海,柯树人. “动中通”移动卫星通信终端天线跟踪技术[J]. 现代电子技术, 2007 (17): 17-21.

[4]Yorozu Y. A low-cost ultra low profile phased array system for mobile satellite reception using zero-knowledge beam forming algorithm[J]. IEEE Trans. on Antennas and Propagations, 2008,56 (12).

[5]梁剑锋, 胡国庆, 韩国栋. 一种全空域覆盖卫星通信多面相控阵天线[J]. 工程师笔记, 2013(12):58-59.

[6]Shelley M, Vasquez J. Advanced array antenna for portable and mobile sitcom terminals[C]∥IEEE Military Communications Conference, 2003:1445-1449.

[7]Karmakar NC, Bialkowski ME. A compact switched-beam array antenna for mobile satellite communications[J]. Microwave And Optical Technology Letters, 1999, 21(3).

Design of digital array in full airspace for potable satellite terminal

Wang Tiedan， Chen Le， Tang Weifeng， Chen Wangjie， Li Lei， Sun Hao， Li Guoping

(No.8511 Research Institute of CASIC，Nanjing 210007，Jiangsu，China)

Aiming at the multi-target tracking performance in full airspace required by potable satellite terminal，a conformal array shaped as the circular stage body is designed on the outfit of the terminal. This array consists of planar array on the top and the stage body formed by 16 edged planes. The beam produced from the planar array on the top covers the high elevation area and the 16 edged planes cover the low elevation area. Compared with the spherical antenna, the circular stage body has certain advantages in engineer application and beam gain. The performance of beam gain in full airspace of the circular stage array is analyzed, with consideration of the covering effect in practice. It divides the airspace and different airspace produces the beam forming by the elements from different directions of the circular stage body. The theoretical analysis and simulation result proves the full airspace gain of the circular stage body is comparatively stable with good performance.

truncated cone array；full airspace；multi-beam；satellite terminal

2016-04-10；2016-05-17修回。

王铁丹(1985-)，男，工程师，博士，主要研究方向为信号与信息处理。

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