Ku频段散射角分集天线技术

梅立荣，肖 卓，李 阳，李志勇，王栋良，刘丽哲，郎 磊，褚素杰，焦学强

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081；3.中国人民解放军96764部队，河南 洛阳 471000)

0 引言

对流层散射通信是利用对流层散射信道进行通信的一种超视距通信方式，具有抗核爆炸能力强、通信保密好、通信容量大、通信距离较远、机动性好等特点。

对流层散射通信的信道是一种扩散衰落信道，因此，所接收到的信号存在着严重的衰落，导致通信链路质量变坏，降低了通信系统的可靠性。为此，系统设计时，要尽可能地增加系统的抗衰落能力。分集接收技术是克服快衰落影响、提高系统信噪比最有效的一种措施，它将所需要传输的信息复现成若干个基本独立的信号，然后有效地合成起来，使信号相互弥补和加强，噪声相互抵消，以获得较强、较稳定的信噪比。通常采用的分集方法有：空间分集、频率分集、角分集、极化分集、时间分集、编码分集等。目前空间分集及频率分集在实际中应用得较多，采用空间/频率分集方式的对流层散射通信系统能够很好地克服散射信道中的多径和快衰落现象，但是在要求高机动的应用中存在一定的局限性。因此，能够减少设备数量的角分集技术成为了散射通信系统研究的技术热点[1-5]，所谓角分集(Angle diversity)，是指不同到达角的信号之间的分集，就是用几个不同的天线波束同时接收几个不同角度方向来的信号，然后进行合成的接收方式；由于散射信道中的多径传输，使接收天线上不同到达角的信号相位、幅度均不相同，且不同到达角之差越大，信号之间的相关性越小。因此，可利用来实现角度上的分集接收。

本文拟研究散射通信系统中的角分集天线技术，通过该技术的研究，可使得原来两副天线才能完成的任务通过一副天线就能实现，既减轻了设备体积和重量，又降低了成本，适合于散射通信系统的快速机动部署应用。

1 散射通信角分集天线的国内外现状

在欧美，关于角分集技术在对流层散射通信中的应用已经进行了广泛的研究。1981年，Sigtron公司P.Monsen和S.A.Parl等对散射角分集技术进行了大量理论研究和实验验证。实验表明，当两分集波束之间的夹角大于一个波束宽度时，接收到的角分集信号相关性很小，但是斜射损耗随散射角增加而剧烈增加。对于窄带信号最适宜的波束夹角近似为发射信号的1倍波束宽度；对于宽带信号近似为发射信号的0.75倍波束宽度[6]。国际上采用角分集天线技术的散射通信设备的研究情况如表1所示。从表中可以看出，散射通信设备角分集天线主要集中在C频段及Ku频段，选取的天线面口径在C频段≥3 m，在Ku频段≥0.75 m。

表1 国际上采用角分集技术的散射通信设备

设备名称工作频段天线尺寸/m发射机功率/kW通信距离/km英国TACTROPC4.51100～250法国AlcatelC4.60.5200～300意大利4TP1500L4.5/6/91中远距离美国TFLAC32美国DART-TKu2.41.25160美国TELOSKu0.750.25≥64俄罗斯C5.0

在中国，“七五”期间开展了关于散射角分集技术的相关研究，主要是16路的移动散射通信设备，它是一个配套齐全的车载散射通信系统，该系统配备了4.5 m折叠天线，馈源形式为并排放置的喇叭馈源，但是由于分集波束夹角太大，未能取得理想的分集效果；2000年，中国电科54所的杨可忠分析了采用多模馈源实现角分集的原理，并讨论了利用多模馈源实现角分集的方案[7]。虽然开展了相关的技术研究，但是在散射角分集的试验数据方面在中国还处于空白状态。所以开展散射角分集天线技术研究及散射角分集的测试试验具有重要意义。

2 Ku频段散射角分集天线设计

角分集天线是散射角分集通信系统的关键部件，是能否实现角分集接收的关键技术。散射角分集双波束的实现原理如图1所示，分别偏离焦点的角分集馈源发出的两个波束照射到反射面上，经反射面反射后形成具有一定夹角的两束高增益角分集波束。

图1 偏置角分集天线波束成形原理

设计的Ku频段散射角分集天线主要包括角分集馈源及偏置的抛物反射面，馈源为一个四端口、双线极化、角分集的双波束馈源。该馈源由正交模耦合器和介质杆天线组成，在结构上具有紧凑、简单、稳定、便于加工的特点。其基本原理如图2所示。

图2 角分集馈源系统组成

正交模耦合器是角分集天线馈源的关键部件，它赋予分集波束不同的极化方式，可以增加两波束之间的隔离度，使分集波束更加独立[8-10]。介质棒天线的设计对角分集天线的性能起着至关重要的作用。介质杆天线通过在开波导结构中加载介质杆实现，介质杆天线与其馈电波导一样具有低剖面和结构简单的优点，并且能够很好地和馈电波导兼容[11-14]。在角分集天线馈源中引入介质杆天线代替馈源喇叭，可以有效地减小馈源的横向尺寸，有利于波束夹角的优化。

将正交模耦合器及介质杆天线组合形成的角分集馈源模型如图3所示，其中端口1和端口4是水平极化端口，端口2和3为垂直极化端口。

图3 角分集馈源仿真模型

将角分集馈源与反射面组合形成的角分集天线模型如图4所示[15]。

图4 角分集天线仿真模型

通过仿真得到的角分集天线增益结果汇总如表2所示，角分集天线波束宽度及波束夹角关系的结果汇总如表3所示。

表2 角分集天线增益仿真数据汇总

角分集天线频率/GHz增益/dBiP1P2P3P4fL45.845.545.445.8f046.146.245.846.1fH46.346.346.246.3

表3 角分集天线波束宽度与波束夹角仿真数据汇总

频率/GHzfLf0fH半功率波束宽度/(°)P10.660.640.62P20.650.650.64P30.660.630.61P40.640.610.61波束夹角/(°)P(1,4)0.70.680.66P(2,3)0.70.660.66波束夹角倍率P(1,4)1.071.081.07P(2,3)1.061.041.05

从表2和表3中可以看出，角分集天线的偏焦损耗小于0.5 dB，波束夹角大约为1倍波束宽度，基本满足进行分集接收要求。

3 Ku散射角分集天线样机及角分集性能测试

在设计和仿真的基础上研制了Ku频段散射角分集天线样机，如图5所示。

图5 角分集天线样机

利用研制的角分集天线构建了散射角分集性能测试系统，测试系统组成原理如图6所示。

图6 角分集测试原理

通过发射端的常规单天线发送单频信号，接收端采用角分集天线以不同的角度接收来自发射端的信号，通过Ku散射通信设备将信号进行放大和变频后，获取两个具有一定频率间隔的信号，经合路器合成后送入频谱分析仪进行测试分析。

测试距离为135 km，发射功率为49 dBm时，角分集相关系数测试计算结果如表4和表5所示。其中端口1和4是一对角分集信号。

表4是慢变化情况下(更新速率1 s,20 mim内的数据)的角分集相关系数计算结果，表5是快变化情况下(更新速率20 ms,1 min内的数据)的角分集相关系数计算结果。仰角0表示接收到的信号电平幅值端口1和端口4基本一致；仰角0.3表示接收到的信号电平幅值端口1比端口4大；仰角-0.45表示接收到的信号电平幅值端口1比端口4小。

表4 慢变化情况下的角分集相关系数

仰角/(°)角分集相关系数(端口1和4)00.580.30.48-0.450.32

表5 快变化情况下的角分集相关系数

仰角/(°)片段名称角分集相关系数(端口1和4)0数据10.513 3数据20.5730.3数据10.371数据20.465 6-0.45数据10.53数据20.456

由上述测试计算结果可知，在慢衰落及快衰落情况下，角分集天线获得的角分集相关系数最大为0.58，小于0.6，满足进行分集接收的条件，初步验证了采用所研制的角分集天线开展Ku散射角分集通信设备研制的可行性。

4 结束语

在现有散射通信系统中，采用空间分集来克服信道的快衰落影响需要收发端配置两副或者两副以上的天线，这样便使得通信设备的天线数量较多、成本高。散射角分集体制的使用使得原来两副天线才能完成的任务通过一副天线就能实现，减少了天线数量，降低了成本，同时还减小了设备体积和重量，增加了系统机动性。从研制的角分集天线及角分集性能试验结果看，在135 km试验链路上获得的散射角分集相关系数小于0.6 ，满足进行分集接收的条件，初步验证了采用所研制的角分集天线开展Ku散射角分集通信设备研制的可行性，并可以在此基础上进行进一步的研究工作。