通信相控阵天线双频接收多波束设计*

程 宇潘 超

（1.海军装备部驻武汉地区第五军事代表室 武汉 430205）（2.武汉船舶通信研究所 武汉 430205）

1 引言

相控阵天线由于具备高增益、高功率以及定向窄波束的特点，大大增加了系统的覆盖范围，提升了系统的抗截获能力，在雷达、通信、导航等领域获得了广泛的应用［1～6］。其中，在无线通信领域，相控阵天线在分布式组网通信应用中，其多波束能力作为空分多址的技术基础，可以构建点对多点的多链路并行通信场景，从而有效地提升整个网络的组网效率，降低网络传输时延［7～9］。但多波束的空分多址能力受限于天线阵面的波束宽度，由相控阵天线的基本原理可知波束宽度越窄，空分能力越强，这要求更大的阵面口径。

为了进一步提升通信相控阵天线的多波束能力，可在常规空分复用的基础上，增加频分复用能力，从而形成多维资源的联合应用，基于此目的，本文基于数字相控阵天线，提出了一种双频接收多波束设计方法，并提出了双频多波束在分布式组网通信应用中的具体使用方法。

2 基于相控阵天线体制的通信系统

如图1所示，基于相控阵天线体制的通信系统主要由信号处理与控制终端、相控阵天线、波束控制设备以及天线电源等设备组成。其中信号处理与控制终端主要实现通信波形、网络协议以及系统状态监控等功能，相控阵天线主要实现信号的定向辐射与接收、射频处理以及基带数字化等功能，波束控制设备主要实现对相控阵天线波束指向的控制功能，天线电源向相控阵天线供电。

图1 基于相控阵天线体制的通信系统

3 双频接收多波束设计方法

3.1 双频多波束接收相控阵天线设计

图2展示了双频接收多波束相控阵天线的设计原理，主要由天线辐射阵面、数字TR组件以及数字波束合成模块组成。其中天线辐射阵面主要实现射频信号的辐射与接收，数字TR组件主要实现射频前端处理、射频信号功率分路、双路混频、双路A/D、双路数字下变频等功能，数字波束合成模块则包含两个子模块，分别实现两个频点下的数字多波束合成。

图2 双频多波束相控阵天线原理

3.2 正交多波束设计

为了尽量减小多波束之间的信号干扰，一般采取正交的多波束实现方式，使得多个波束之间满足相互正交的关系，即任意一个波束的主瓣位置均位于其他所有波束的零点位置上。本文采用线性约束最小方差（LCMV）［10～12］算法实现正交多波束，如图3所示，设置阵元个数为16的均线线性阵，阵元间距为半波长，图中展示了-40°、-25°、10°、45°正交四波束的波束方向图。

图3 正交四波束方向图

3.3 多波束最小波束间隔选取

为了保证算法产生的多波束之间维持稳健的正交特性，多波束最小波束间隔的选取至少要大于主瓣与第一零点的角度间隔。如图4所示，对于阵元个数为16的均线线性阵，主瓣为45°时，左第1零点为35.6°，相互间隔为9.4°，因此需要将最小波束间隔设置为10°。如图5所示，设置期望的波束1、波束2主瓣角度分别为35°和45°，此时算法获得的波束1、波束2的实际指向分别为35.15°和44.82°，角度偏差不超过0.15°，同时正交零点位置也满足要求。因此，综上分析对于阵元个数为16的均线线性阵，需要将最小波束间隔设置为10°。

图4 多波束最小波束间隔

图5 正交多波束，波束1：35°，波束2：45°

4 双频接收多波束使用方法

在分布式组网通信中，各节点以定向波束进行配对通信，具备接收多波束能力的节点则可以构建点对多点的配对通信场景。这里假设接收节点具备单频点两个波束，双频点4个波束的能力，且在本接收节点天线阵面覆盖范围内最多存在4个其他发送节点，分析此场景下的双频接收多波束的分配使用方法，接收节点为了接收其他4个节点的数据，需要综合利用空分、频分、时分等多址接入方式。假设4个发送节点相对本节点的角度依次为θ1、θ2、θ3、θ4，双频点多波束的具体分配流程如下：

1）设置初始波束备选库θb=［θ1、θ2、θ3、θ4］，首先为第1时隙下的通信对象进行波束选择；

2）频点1的波束选择，选择备选库中的第一个角度作为频点1的1号波束，并从波束备选库中剔除θ1，更新备选库。判断备选库，若备选库依然存在备选角度，则执行第3）步，若不存在，则结束波束分配流程；

3）在备选库中选择与频点1的1号波束角度间隔大于10°的节点角度，若有满足要求的节点角度，则选择节点编号最小的那一个节点角度作为频点1的2号波束，并将其从备选库中剔除，更新备选库。若没有满足要求的节点角度，则频点1的2号波束空缺，备选库维持不变。判断备选库，若备选库依然存在备选角度，则执行第4）步，若不存在，则结束波束分配流程；

4）频点2的波束选择，在备选库中选择第一个角度为频点2的1号波束，并将该角度从备选库中剔除，更新备选库。判断备选库，若备选库依然存在备选角度，则执行第5）步，若不存在，则结束波束分配流程；

5）在备选库中选择与频点2的1号波束角度间隔大于10°的节点角度，若有满足要求的节点角度，则选择节点编号最小的那一个节点角度作为频点2的2号波束，并将其从备选库中剔除，更新备选库。更若没有满足要求的节点角度，则频点2的2号波束空缺，备选库维持不变。判断备选库，若备选库依然存在备选角度，则执行第6）步，若不存在，则结束波束分配流程；

6）为第2个时隙下的通信对象进行波束选择，跳转至第2）步执行。

5 结语

本文基于数字相控阵天线，提出了一种双频接收多波束设计方法，并提出了双频多波束在分布式组网通信应用中的具体使用方法。该双频接收多波束相控阵天线的应用可以进一步提升通信系统的多波束能力，从而提升分布式组网的效率，为降低网络传输时延提供技术途径。