浅谈DBF技术在卫星监测工作中的应用

2022-05-05周凌霄

数字通信世界 2022年4期

关键词：相控阵波束成形

周凌霄

（国家无线电监测中心云南监测站，云南昆明 650000）

0 引言

近年来，低轨卫星互联网发展势头迅猛，已逐步实现成熟的商业运营。然而，卫星互联网运用在带来全球信息互联互通的同时，也隐藏着较大的国家无线电安全隐患，从无线电监测角度考虑，掌握互联网卫星星座在我国境内的无线电覆盖情况已经迫在眉睫。

随着相控阵天线技术的逐渐成熟及生产成本的大幅下降，美国的SpaceX公司已经在其卫星星座starlink卫星天线及地面终端中大量使用了相控阵天线。因此，相控阵天线的应用对于卫星通信和卫星无线电监测将是未来的主要趋势。

1 相控阵天线简介

相控阵天线可以采用多种形式，最常见的有四种：一是有源电子扫描阵列（AESA），是目前商用的主要类型；二是无源相控阵（PESA），这种相控阵天线有着一定的成本优势；三是混合束形成相控，目前国内部分厂家开始向这方面尝试；四是数字波束形成（DBF）阵。

过去几年中设计的大多数相控阵天线都使用模拟波束成形，这种类型相控阵天线每一个波束都需要一组A/D转换器和波束形成器。但是，随着数字处理技术的发展，数字波形成形技术被越来越多地关注，在DBF相控阵天线中，每一个天线阵元都配备一组A/D转换器，其来波相位调制可集成在A/D转换器中以数字的方式进行，因为这种结构上的特点，DBF相控阵天线可以实现非常多的波束，这种多波束的特性对于规模巨大的互联网卫星有较好的监测切合性。

在选择相控阵天线时，可以从应用场景来分析，根据需求来确定天线所需要的波束数量，能够承担的天线功耗及天线成本。数字波束成形方法通常每个天线单元都需要有一个数模转换器，这会使得DBF天线具有较高的功耗，但这种特性使得DBF天线在构建多波束方面提供了很大的灵活性。所选用数模转换器需要有不错性能，这给DBF相控阵天线带来了高成本的劣势[1]。

对于模拟波束相控阵天线，由于无法对每个阵元进行数字化处理，所以模拟相控阵天线每增加一个波束就需要增加一个波束成形通道。因为这种结构上的特点，模拟相控阵天线每增加一个波束，天线的体积几乎就会增大一倍；当然天线的功耗也随着快速增加。由于电路设计的复杂性，目前模拟波束相控阵天线很难做到4波束以上。

现在国内市场上出现了一些模拟和数字结合的相控阵天线，利用模拟和数字方式的结合，可以减少数字相控阵天线的成本，同时使得多波束天线的体积不会增加得那么快，目前这是相关产品的一个主要方向。

2 DBF技术

对于数字波束形成（DBF）相控阵天线，在其阵列中每个元件都采用数字接收器或者激励器，每个阵元采用的接收器或者激励器将天线中每个阵元上接收到的模拟信号进行数字化处理[2]。将每个阵元收到的信号数字化处理之后，就可以在后端使用FPGA以数字的方式形成天线波束。通过这种方法，DBF技术可以使相控阵天线同时形成多个天线波束。

图1 DBF相控阵天线波束图

从相关资料中，我们可知DBF相控阵天线的原理如下：假设接收天线是一个有着N个阵元的均匀面阵列天线，通过数字多波束加成器，对N各阵元进行加权，根据使用者要求，对相同的数据改变不同的权重因子，以形成不同指向的波束，然后将波束内接收到的信号送后续处理单元。通过这种方式一个N阵元的DBF天线，理论上可以同时形成N-1个独立的波束[3]。

图2 DBF天线构造

3 DBF相控阵天线优势

DBF相控阵天线对于无线电监测应用有许多的好处，首先，相对传统抛物面天线相控阵天线普遍拥有快速波速成形、可靠性高及空间占用较小的优势。其次，DBF技术能够较为方便地合成许多不同指向的波束，相对于模拟相控阵天线，数字波束成形技术还有如下优势。

（1）DBF技术是在A/D转换之后的数字信息上对天线的幅度相位进行加权调整，而模拟波束成形是在模拟域上利用移相器和衰减器等器件进行，当模拟相控阵天线的波束数量增加时，硬件设备量将成倍增加，给安装调试等带来很大问题，这使得DBF相控阵天线在构型上实现多波束比模拟相控阵天线具有很大优势。

（2）DBF相控阵天线通过FPGA控制能够快速地实现对不同形状、方向和数量的波束成形，只需程序控制即可改变天线的波束，能够相对容易地实现信号接收/发射的自适应性，同时能够较好地抑制天线副波瓣接收到的信号[4]。相对于传统的抛物面天线或者模拟相控阵天线，这些天线在波束网络设计确定后，天线的波束图就被固定了，后期使用时不能进行更改。

（3）DBF技术因为首先进行A/D转换，再对转换后的数字信息进行处理，利用数字信号处理技术，在信号处理之前能够保存较多的信息到处理端。而模拟波束成形，在波束形成之时就将大量信号信息丢弃，损失了大量的信号信息。

4 DBF相控阵天线监测应用

数字波束形成技术因为有足够多的波束，所以足够满足各大互联网卫星星座部署完成之后的日常监测需求，可以对覆盖区域内的多个下行波束进行全信号实时跟踪。

同时在后端接收机允许的情况下，可以使用盲搜方式对监测覆盖区域进行深度监测，在使用盲搜方式进行信号监测时，DBF技术所能提供的强大的信号处理能力，使得监测范围内的信号搜索时间相对于目前常用的模拟相控阵天线会有很大变化。

下面对DBF相控阵天线盲搜能力进行探讨。利用DBF相控阵天线，水平放置，对法线60°范围信号进行扫搜，监测范围为俯仰30°以上范围，对低轨卫星550 km测算，监测半径约为950 km，将DBF相控阵天线监测范围按监测需要划分为均匀的“小区”，天线的若干个波束以固定速度轮询各个“小区”，对各小区设定一定权重的电平触发门限，当相控阵天线波束轮询到某一小区电频值超过该“小区”电平触发门限时，记录该“小区”方位俯仰信息，由其他天线系统进行跟星和监测测量。盲搜监测方式对天线后端的信号处理设备要求很高，需要在后端处理设备上有较大的投入。