高自新，徐志平

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.中國人民解放軍96275部隊，河南洛陽471003)

0 引言

對流層散射通信信道是一種時變衰落信道，為克服信道衰落對通信質量的影響，散射通信設備普遍采用分集技術。傳統(tǒng)的多天線空間分集方式分集效果好，但設備數(shù)量多，機動能力較差。單天線設備與之相比有一定的優(yōu)勢。

單天線的分集形式主要包括頻率分集、時間分集和角分集等方式。角分集相對于空間分集在空間占用體積、設備數(shù)量等方面，相對于帶內頻率分集在頻譜利用率(接收角分集)和抗頻域平坦衰落等方面有著明顯的優(yōu)勢。本文旨在通過計算和仿真提出角分集天線在設計中的主要參數(shù)，以為角分集通信天線工程設計提供參考。

1 角分集的相關系數(shù)

設角分集的2個波束半功率角相等，2個波束的水平夾角為φ，垂直夾角為θ。則角分集的包絡的相關系數(shù)ρφ，()θ［1］表示為:

式中，ρh()φ為水平包絡相關系數(shù);ρv()θ為垂直包絡相關系數(shù)。

ψ1/2h為發(fā)射/接收天線的水平半功率角;

θ1/20為發(fā)射/接收點一邊的部分散射角。

同理可以計算出垂直波束包絡的相關系數(shù)ρv()θ為:

由于對流層散射體的分布特點，在相同角度條件下垂直角分集效果要好于水平角分集。因此在文中重點研究垂直角分集方式。

從以上公式可知，相關系數(shù)主要取決于以下參數(shù)［1，2］:① 偏焦距離，決定了天線兩波束的夾角;②天線口徑和工作頻率，決定了天線的半功率角;③通信距離，決定了散射鏈路的部分散射角。

而從工程經(jīng)驗上看，當兩通道的相關系數(shù)不大于0.6時，便可以獲得較好的分集效果。

2 偏焦饋源的影響

根據(jù)角分集天線的設計特點，主要考慮橫向偏焦饋源的情況，如圖1所示。饋源從焦點F橫向偏焦至F'點，偏焦距離為Δy，當Δy遠小于FM時，由F'向反射面投射的射線經(jīng)過反射后仍可近似平行于拋物面的軸線。由于饋源偏移后由F'點經(jīng)反射

圖1 橫向偏焦拋物面示意圖

面投射到焦點平面時射線經(jīng)過的路程不再是常數(shù)，因此拋物面口徑場不再是同相場。口徑面上各點的相位可以由饋源位于F'時的相位延遲與饋源在F點的相位延遲之差來表示。

路徑差［3－6］:

由拋物面方程:y2=4fz，有

因為

所以有

當Δy＜＜f時，只取上式的前2項，則可得到拋物面口徑面上場的相位分布規(guī)律為:

由上式可知，饋源的橫向偏焦主要引起拋物面口徑場線性相位偏移和立方相位偏移，線性相位偏移對天線輻射場方向圖沒有影響，只是方向圖發(fā)生偏移，也就是說與口徑場為同相場的天線方向圖相比只是最大輻射方向偏移了一個角度，而方向圖的形狀沒有發(fā)生變化，立方相位偏移不僅使天線方向圖的最大輻射方向發(fā)生偏移，而且使方向圖變得不再對稱，主瓣兩邊的旁瓣均發(fā)生變化，一邊的副瓣升高，另外一邊的副瓣降低，如圖2所示。

圖2 變焦引起90°面的方向圖變化

天線口徑2.4 m，頻率8 GHz，偏移2 cm。當偏焦波束偏離較大時，一方面引起天線增益損失;另一方面由于波束抬高引起的散射角增大，導致散射的附加損耗增加，圖3為附加損耗的變化曲線。

圖3 散射鏈路損耗與散射角關系

由圖3可見，散射角每增加一倍，散射損耗增加約13 dB。因此要盡量減小偏焦波束與主波束的夾角，使之控制在半功率角以內。

3 不同通信站型條件下的相關系數(shù)

根據(jù)散射通信系統(tǒng)不同站型的設備配置情況，研究單天線角分集天線相關系數(shù)與偏焦距離、天線口徑、工作頻率和通信距離等的關系。

3.1 散射通信大站

散射通信大站是指通信距離大于100 km，通信容量在兆b/s量級，天線口徑一般大于2 m的散射通信站。

圖4和圖5分別給出了通信距離為150 km、3 m天線和通信距離為100 km、2.4 m天線在C、X、Ku頻段下，其波束夾角、相關系數(shù)與天線偏焦距離的關系仿真曲線圖。

圖4 3 m天線和150 km條件下的相關系數(shù)

圖5 2.4 m天線和100 km條件下的相關系數(shù)

從圖4、圖5中可以得出:

①圖4中天線口徑為3 m，通信距離為150 km，當相關系數(shù)為0.6時，C頻段的偏焦距離為2.7 cm，波束夾角為 1.2°;

②圖5中天線口徑2.4 m，通信距離為100 km，當相關系數(shù)為0.6時，C頻段的偏焦距離為5 cm，波束夾角約為3.1°;此時已遠大于半功率角(2.4 m天線的半功率角為1.86°)散射鏈路損耗將顯著增加，故天線口徑小于2.4 m時，不適宜采用C及C以下頻段。

3.2 散射通信小站

散射通信小站是指通信距離小于100 km，天線口徑小于2 m的散射通信站。

圖6和圖7分別給出了通信距離為80 km，1.5 m天線和通信距離為70 km，1.2 m天線在 C、X、Ku頻段下，其波束夾角和相關系數(shù)與天線偏焦距離的關系仿真曲線圖。

圖6 1.5 m天線和80 km條件下的相關系數(shù)

圖7 1.2 m天線和70 km條件下的相關系數(shù)

從圖6、圖7中可以得出:

①對于散射通信小站，由于天線口徑較小、通信距離較近，角分集天線采用C頻段已不在適合;

②圖6中天線口徑為1.5 m天線，通信距離為80 km，當相關系數(shù)為0.6時，X頻段的偏焦距離為2 cm，對應的波束夾角為2°(此時天線的半功率角為1.75°);

③ 圖7中天線口徑為1.2 m，通信距離為70 km，當相關系數(shù)為0.6時，X頻段的偏焦距離為2 cm，波束夾角約為2.2°(此時天線的半功率角為2.18°)，此時偏焦引起的附加損耗將在實際鏈路中有明顯增加。

從以上分析可知，當天線口徑在1.5 m以上時，可以采用X及以上頻段;而天線口徑小于1.5 m時，需要采用Ku頻段。

4 角分集天線設計建議

根據(jù)上面的仿真結果，同時考慮到天線加工精度等因素，對于散射通信大站，其角分集天線工作頻段可以采用C或X頻段，此時，典型的散射通信大站其主要設計參數(shù)如表1所示。

表1 散射通信大站角分集天線設計參數(shù)

根據(jù)上面的仿真結果，對于散射通信小站，其角分集天線工作頻段應以X或Ku頻段為主，且以Ku頻段為佳，此時典型的散射通信小站其主要設計參數(shù)如表2所示。

表2 散射通信小站角分集天線設計參數(shù)

5 結束語

單天線角分集的分集效果與工作頻率、天線口徑和通信距離等密切相關，在相同的偏焦距離條件下，工作頻率越高、天線口徑越大、通信距離越遠，則其分集效果越佳。根據(jù)散射通信工程能力設計要求，給出了不同站型條件下角分集天線的設計參數(shù)，對今后的單天線散射通信工程設計有一定的參考意義。

［1］劉圣民，熊 飛，對流層散射通信技術［M］.北京:國防工業(yè)出版社(第1版)，1982:124－127.

［2］楊可忠.利用多模饋源實現(xiàn)角分集的天線［J］.無線通信技術，2000，26(4):1－5.

［3］李高升，劉繼斌，何建國.拋物面天線饋源偏焦的理論及應用研究［J］.雷達與對抗，2004(3):38－41.

［4］田 諫.偏焦拋物反射面天線輻射特性研究［M］.陜西:西北工業(yè)大學碩士論文，2005.

［5］張 旺，王黎莉，閆 豐.雙反射面天線偏焦問題的解決方法分析［J］.無線電工程，2011，41(8):35－37.

［6］郭陳江.偏焦偏置拋物面天線的輻射特性［J］.雷達科學與技術，2004(4):247－251.