張可， 劉增軍， 聶俊偉， 朱祥維， 孫廣富

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙　410073

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基于分布式地面站天線的空間功率合成

張可*， 劉增軍， 聶俊偉， 朱祥維， 孫廣富

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙410073

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)地面站天線對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行上行注入時(shí)，信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星時(shí)較弱，容易受到干擾，故地面站注入天線需同時(shí)具備平時(shí)多目標(biāo)注入和干擾時(shí)單目標(biāo)功率增強(qiáng)的能力。利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中地面站之間能夠?qū)崿F(xiàn)精密時(shí)間同步的特點(diǎn)，提出了一種基于分布式衛(wèi)星導(dǎo)航地面站拋物面天線的空間功率合成方法，使用相位預(yù)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)分布式天線陣到達(dá)目標(biāo)衛(wèi)星信號(hào)的相位粗同步；分析了相位誤差、輻射功率誤差對(duì)空間功率合成效率的影響，得到了陣元初始相位標(biāo)定精度與相對(duì)定位精度的約束關(guān)系；并對(duì)合成信號(hào)的抗干擾能力和信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行了研究。理論和仿真結(jié)果表明，當(dāng)相位精度因子小于0.2時(shí)，4個(gè)等輻射功率天線在10° 仰角以上波束掃描范圍內(nèi)的功率合成效率均在75%以上，且可以通過(guò)控制初始相位標(biāo)定精度與相對(duì)定位精度實(shí)現(xiàn)更高的合成效率；而在合成效率要求75%以上時(shí)，天線輻射功率誤差對(duì)合成效率的影響基本可以忽略。采用分布式波束掃描天線能夠?qū)Φ孛嬲旧闲凶⑷脒M(jìn)行功率增強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)注入波束和功率的靈活配置，有效解決制約機(jī)動(dòng)式和小型化地面站功率提升的瓶頸問(wèn)題。

衛(wèi)星導(dǎo)航； 分布式天線； 波束掃描； 相位預(yù)補(bǔ)償； 合成效率

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中在空間段采樣不同的星座構(gòu)成時(shí)[1]，為了滿足導(dǎo)航地面注入站同時(shí)與多顆不同仰角衛(wèi)星之間的測(cè)量和通信，地面站都需具備多個(gè)波束同時(shí)注入的能力，故常采用多個(gè)機(jī)械掃描拋物面天線或者數(shù)字多波束天線的配置。在導(dǎo)航戰(zhàn)[2]背景下，為了提高地面站的抗打擊能力，地面站趨向于機(jī)動(dòng)式和小型化，對(duì)天線小型化和低功率發(fā)射提出了更高要求；但由于星地之間距離較長(zhǎng)，傳輸損耗非常大，信號(hào)達(dá)到衛(wèi)星的功率非常弱，易遭受各類(lèi)有意或者無(wú)意的強(qiáng)功率干擾，特定時(shí)期地面站有必要對(duì)上行信號(hào)進(jìn)行局部功率增強(qiáng)，故地面站天線需同時(shí)具備低功率多波束掃描和單波束功率增強(qiáng)功能。相比于數(shù)字多波束天線，機(jī)械掃描拋物面天線具有相位中心穩(wěn)定、掃描角度大、低功耗、低成本和易收藏等諸多優(yōu)點(diǎn)，在地面站中應(yīng)用最廣泛，但單獨(dú)機(jī)械掃描拋物面天線不具備功率增強(qiáng)能力。分布式天線系統(tǒng)[3-4](Distributed Antenna System，DAS)在利用空間資源上具有明顯優(yōu)勢(shì)，一方面天線的安裝比較靈活，另一方面可替代天線陣進(jìn)行工作，已經(jīng)成為無(wú)線通信系統(tǒng)架構(gòu)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，如平方公里陣[4](Square Kilometre Array，SKA)。此外分布式天線[5]也被應(yīng)用于SAR以獲取更高分辨率的圖像。相比于傳統(tǒng)天線陣，DAS擺脫了柵瓣[6]、互耦[7]對(duì)合成信號(hào)功率、波束指向的影響。研究基于分布式天線的功率增強(qiáng)技術(shù)，一方面可降低單天線最大發(fā)射功率要求，利于地面站小型化；另一方面分布式天線技術(shù)能夠大幅度提升地面站抗輻射打擊能力，對(duì)提升地面站尤其是機(jī)動(dòng)式地面站的導(dǎo)航戰(zhàn)能力具有重大意義。

微波空間功率合成具有高功率容量、低駐波和寬帶特性，能獲得高功率、高重復(fù)頻率和高能量的寬頻帶微波束，是實(shí)現(xiàn)有戰(zhàn)略價(jià)值高功率微波系統(tǒng)的重要途徑。文獻(xiàn)[8]分析了隨機(jī)分散布陣波束展寬以及功率合成的關(guān)鍵技術(shù)，但沒(méi)有深入地研究關(guān)鍵技術(shù)解決方案。路通在文獻(xiàn)[9]中從理論上分析了平行波束與交叉波束的區(qū)別在于是否滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。文獻(xiàn)[10]研究了隨機(jī)相位對(duì)空間合成效率的影響。郭勁松和洪家財(cái)[11]則分析了采用直線型天線陣進(jìn)行上行組陣時(shí)目標(biāo)區(qū)域天線方向圖的變化趨勢(shì)。文獻(xiàn)[12]研究了密集陣條件下陣元間距和初相位對(duì)合成場(chǎng)的影響。此外，更多的學(xué)者關(guān)注空間功率合成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方案，文獻(xiàn)[13]中提出一種新型基于Hecken形式的緊湊、寬帶漸變鰭線陣，可用于波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成模塊設(shè)計(jì)；Ding等[14]提出了一種應(yīng)用于毫米波的高功率合成網(wǎng)絡(luò)；Ooi等[15]提出了一種基于電磁帶隙(Electromagnetic Bandgap，EBG)結(jié)構(gòu)的空間功率合成器，實(shí)現(xiàn)了寬帶功率合成；文獻(xiàn)[16]中使用同一參考信號(hào)和附加有源振蕩器的天線陣兩種同步方法實(shí)現(xiàn)了空間功率合成；文獻(xiàn)[17]使用相位精確控制的微帶天線陣實(shí)現(xiàn)了空間寬波束附型。不難發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)微波空間功率合成的研究主要基于傳統(tǒng)相控陣天線和密集陣，對(duì)于分布式的廣義天線陣研究較少；對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、波束掃描天線[1]等情形的研究比較缺乏。

為了提高導(dǎo)航地面站上行注入抗干擾能力，本文以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中利用空間功率合成進(jìn)行功率增強(qiáng)為背景，針對(duì)地球同步軌道衛(wèi)星，利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中星地之間、地面站之間能夠?qū)崿F(xiàn)精密時(shí)間同步[18]的特點(diǎn)，采用對(duì)初始相位預(yù)補(bǔ)償和通過(guò)精密相對(duì)定位計(jì)算分布式天線之間的波程差并進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)分布式天線陣到達(dá)目標(biāo)衛(wèi)星信號(hào)的相位粗同步。著重分析了初始相位補(bǔ)償精度以及相對(duì)定位精度對(duì)合成效率的影響，進(jìn)而得到了在滿足一定合成效率條件下兩者的約束關(guān)系；同時(shí)對(duì)分布式地面站天線存在的輻射功率誤差進(jìn)行了分析，最后研究了合成信號(hào)對(duì)接收質(zhì)量的影響。

1　空間功率合成原理

由天線與電波傳播理論可知，在自由空間電波傳播條件下，第i個(gè)天線發(fā)射信號(hào)在目標(biāo)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為

圖1　分布式天線空間功率合成原理Fig. 1　Principle of spatial power combining based on distributed antennas

(1)

式中：fi(θ,φ)為天線i掃描到(θ,φ)時(shí)的方向圖；Ii為激勵(lì)電流；Ci為電磁場(chǎng)受電離層、對(duì)流層以及降雨等的影響參數(shù)；ki為波矢常數(shù)；φi為信號(hào)的初始相位。

對(duì)于由N個(gè)單元組成的分布式天線陣，天線陣在目標(biāo)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)E為各個(gè)單元天線輻射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的疊加，即

(2)

(3)

2　相位預(yù)補(bǔ)償方法

地面站設(shè)置為一個(gè)主站和多個(gè)從站，為了便于分析，約定主站作為相位參考點(diǎn)，即主站處于坐標(biāo)原點(diǎn)。根據(jù)式(3)從站信號(hào)與主站信號(hào)的相位差為

φi1=kiri-k1r1+φi-φ1=

(4)

式中:i=1表示主站信號(hào)，其他為從站信號(hào)；Ri為從站與主站的相對(duì)距離。

顯然各天線發(fā)射信號(hào)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)位置的相位差主要包括波程差以及初始相位差兩部分，故需要同時(shí)對(duì)這兩部分進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。其中，波程差使用高精度定位設(shè)備以及已知的衛(wèi)星星歷信息可計(jì)算得到。初始相位的標(biāo)定主要是有線通道和天線兩部分，其中有線通道可使用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行直接測(cè)量，天線部分同樣可以預(yù)先在微波暗室進(jìn)行標(biāo)定[19]。

當(dāng)測(cè)量出式(4)中從站信號(hào)與主站信號(hào)的相位差后，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整信號(hào)產(chǎn)生終端的參考時(shí)鐘來(lái)預(yù)補(bǔ)償各站的相位差，相位預(yù)補(bǔ)償?shù)脑韴D如圖2所示。

圖2　相位預(yù)補(bǔ)償原理Fig. 2　Principle of phase pre-compensation

然而，由于相對(duì)定位精度以及初始相位標(biāo)定精度的限制，相位不可能實(shí)現(xiàn)完全的補(bǔ)償，故將相位預(yù)補(bǔ)償后的式(3)簡(jiǎn)化為式(5):

(5)

經(jīng)過(guò)上述相位補(bǔ)償后，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射信號(hào)到達(dá)接收目標(biāo)點(diǎn)的相位粗同步。不難發(fā)現(xiàn)，此方法對(duì)于分布式天線陣型沒(méi)有要求，可完成依據(jù)地面站的建設(shè)需求靈活地安裝或者選擇天線。

3　功率合成效率仿真分析

根據(jù)式(5)，功率合成效率主要受相位補(bǔ)償后的相位殘差βi和歸一化的激勵(lì)電流Ini的影響。其中，相位殘差主要由初始相位差φi-φ1的標(biāo)定誤差和相對(duì)定位Ri的誤差組成。激勵(lì)電流的影響可表征為由于鏈路電平配置引入的確定性誤差和隨機(jī)抖動(dòng)引入的隨機(jī)性誤差兩部分。本節(jié)分別從這兩方面進(jìn)行仿真分析。

3.1相位誤差對(duì)功率合成效率的影響

相位誤差主要由初始相位標(biāo)校誤差和相對(duì)定位誤差導(dǎo)致陣元間波程誤差兩部分組成。假定信號(hào)幅度誤差為零，定義βi為

(6)

測(cè)量誤差服從正態(tài)分布，且有

根據(jù)上述定義，βi/2π服從N(0,σ2)，σ為相位精度因子，且有

(7)

式中:定義ζ=cos(φi-φ)，ζ為陣元間單位向量在入射方位向量上的投影，且ζ≤1。事實(shí)上，在已知衛(wèi)星位置時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整天線陣元的方位角與衛(wèi)星方位角的相互關(guān)系，從而減小相位誤差的影響，但天線波束掃描仰角是不可調(diào)整的。為了更好地體現(xiàn)功率合成的價(jià)值，在本文的分析中，約定ζ=1，即研究最?lèi)毫訔l件下的功率合成效率。綜上，不難發(fā)現(xiàn)βi不僅與相對(duì)定位精度和初始相位標(biāo)定精度相關(guān)，還受天線波束掃描仰角的影響。

以4個(gè)分布式天線合成為例進(jìn)行仿真，試驗(yàn)分為兩組，一組在固定初始相位標(biāo)定精度的條件下分析功率合成效率隨相對(duì)定位精度變化的影響；另一組則是在固定相對(duì)定位精度的條件下分析功率合成效率隨初始相位標(biāo)定精度的影響。兩組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比即可綜合得到全局的相位精度對(duì)合成效率的影響。

由于誤差為隨機(jī)量，故采用如下的統(tǒng)計(jì)方法來(lái)評(píng)估功率合成效率：隨機(jī)產(chǎn)生1 000個(gè)滿足上述精度條件的場(chǎng)景分別進(jìn)行功率合成，然后取所有1 000個(gè)場(chǎng)景合成效率的平均值作為該相位誤差條件下的合成效率。

第1組試驗(yàn)結(jié)果如圖3(a)所示，表示在σ2固定條件下功率合成效率隨σ1的變化趨勢(shì)，其中實(shí)線為σ2=0，虛線為σ2=0.2；第2組試驗(yàn)結(jié)果如圖3(b)所示，表示在σ1固定條件下功率合成效率隨σ2的變化趨勢(shì)，其中實(shí)線為σ1=0，虛線為σ1=0.2。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，功率合成效率隨相位誤差的增大而明顯降低。

對(duì)比圖3(a)和圖3(b)可知，相同的相對(duì)定位精度和初始相位標(biāo)定精度均不為零的條件下，天線波束掃描仰角越高，功率合成效率也越高；相同數(shù)值情況下，初始相位標(biāo)定精度相比較相對(duì)定位精度對(duì)功率合成效率的影響更大。

圖3　四元陣功率合成效率受相位誤差影響曲線Fig. 3　Influence curves of phase error on power combining efficiency in 4 elements array

根據(jù)式(7)，在進(jìn)行相位精度因子計(jì)算時(shí)，考慮遮擋問(wèn)題天線的仰角一般都大于零，相對(duì)定位精度存在一個(gè)稀釋因子cosθ<1，相當(dāng)于增加了一個(gè)隨仰角增加而不斷趨近于零的權(quán)值，而初始相位標(biāo)定精度的權(quán)值固定為1，所以會(huì)出現(xiàn)掃描仰角越高功率合成效率也越高的現(xiàn)象，且相對(duì)定位精度對(duì)功率合成效率的影響要小一些。具體到衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，地面站上行注入的仰角范圍通常為[π/18,π/2)，即0

此外，根據(jù)式(7)，在σ1=0的條件下，功率合成效率隨σ2的變化趨勢(shì)等效于功率合成效率對(duì)相位精度因子σ的約束，如圖3(b)所示。典型功率合成效率條件下對(duì)相位精度因子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1功率合成效率與相位精度因子的約束關(guān)系

Table 1Constraint relationship between power combining efficiency and phase precision factor

No．Powercombiningefficiency/%Phaseprecisionfactor1950．0822900．1183850．1484800．1745750．201

在功率合成效率一定的情況下，記對(duì)應(yīng)的相位精度因子為σ0，則初始相位標(biāo)定精度和相對(duì)定位精度應(yīng)滿足:

(8)

根據(jù)表1中的數(shù)值，對(duì)于天線波束掃描仰角范圍[π/18,π/2)，要實(shí)現(xiàn)90%的合成效率，相位精度因子需小于0.118；而將合成效率降低為75%時(shí)，則要求相位精度因子不小于0.201。進(jìn)一步根據(jù)式(8)，可計(jì)算初始相位標(biāo)定精度和相對(duì)定位精度的約束關(guān)系,如圖4所示。

圖4　初始相位標(biāo)定精度和相對(duì)定位精度的約束關(guān)系Fig. 4　Constraint relationship between initial phase measure precision and relative positioning precision

對(duì)于天線波束掃描仰角范圍[π/18,π/2)，要實(shí)現(xiàn)90%的合成效率，對(duì)初始相位標(biāo)定精度因子的約束需小于0.118，而對(duì)相對(duì)定位精度因子的約束需小于0.120；當(dāng)合成效率降低為75%時(shí)，對(duì)初始相位標(biāo)定精度因子的約束同樣高于對(duì)相對(duì)定位精度因子的約束。故在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度進(jìn)行靈活配置。如果波束掃描仰角范圍為[π/6,π/2]時(shí)，要實(shí)現(xiàn)75%的合成效率，對(duì)兩類(lèi)精度的要求分別降低為0.201和0.232。所以當(dāng)天線相對(duì)定位精度確定的情況下，可通過(guò)縮小波束掃描仰角范圍的辦法來(lái)提高功率合成效率。

3.2輻射功率誤差對(duì)合成效率的影響

輻射功率誤差主要包括由天線功放配置不同帶來(lái)的確定性幅度差和由鏈路電平抖動(dòng)產(chǎn)生的隨機(jī)幅度差兩類(lèi)。根據(jù)式(6)的分析，如不考慮相位誤差的影響，輻射功率誤差對(duì)功率合成效率不影響，故分析輻射功率誤差對(duì)功率合成效率必須有相位誤差的存在。

參照3.1節(jié)的功率合成效率統(tǒng)計(jì)方法，分別對(duì)確定性輻射功率差和隨機(jī)輻射功率誤差進(jìn)行分析。

1) 確定性輻射功率差。對(duì)各天線激勵(lì)電流服從正態(tài)分布以及平均分布兩種情況進(jìn)行分析，同時(shí)以各天線激勵(lì)電流相等作為參考。

2) 隨機(jī)輻射功率誤差。在確定性輻射功率差的基礎(chǔ)上增加隨機(jī)抖動(dòng)，且假定歸一化的天線激勵(lì)電流在[0.707,1]范圍內(nèi)隨機(jī)波動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

通過(guò)對(duì)圖5的分析可以看出，當(dāng)各天線陣元間存在輻射功率差時(shí)，有利于提升功率合成效率，但在合成效率要求較高(例如75%以上)的場(chǎng)景下這種改善非常小，同時(shí)隨機(jī)性輻射功率誤差對(duì)功率合成效率的影響也非常小。

由于合成效率要求較高的情況下，各陣元相位同步精度高，接近理想情況，故改善空間小；而各陣元相位同步精度較差，也即合成效率較低的情況下，當(dāng)陣元間輻射功率不相等時(shí)，輻射功率大的陣元在進(jìn)行合成時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)，功率相差越大這種優(yōu)勢(shì)就越明顯，所以功率合成效率提升較明顯。以極端情況為例，假定天線陣中只有一個(gè)陣元輻射信號(hào)，而其他陣元不輻射，在進(jìn)行功率合成時(shí)其合成效率一直為100%。

圖5　功率合成效率與輻射功率誤差的變化關(guān)系Fig. 5　Variation relationship between power combining efficiency and transmitting power error

故在應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航地面站天線進(jìn)行空間功率合成時(shí)，由于對(duì)合成效率要求較高，各天線輻射功率差對(duì)合成效率影響基本上可以忽略，地面站天線可根據(jù)各自能力合理設(shè)計(jì)輻射功率。

4　對(duì)接收機(jī)的影響分析

4.1抗干擾性能

空間功率合成對(duì)星載接收機(jī)抗干擾性能的提升作用可使用等效載噪比來(lái)進(jìn)行分析。存在寬帶干擾時(shí)，等效載噪比[1]可按式(9)計(jì)算：

(9)

式中：Cs/N0為接收機(jī)內(nèi)所接收信號(hào)在無(wú)干擾情況下的載噪比；Ci/Cs為接收機(jī)內(nèi)干擾與接收信號(hào)功率之比，稱(chēng)為干信比；Q為抗干擾品質(zhì)因數(shù)，與信號(hào)調(diào)制方式及干擾類(lèi)型有關(guān)；Rc為碼率。

仿真分析中，約定Q=2.22，接收機(jī)的噪聲系數(shù)恒定，假定上行注入信號(hào)碼率類(lèi)似于GPS的P碼，即Rc=10.23 Mchip/s。單個(gè)天線發(fā)射且無(wú)干擾情況下的接收機(jī)載噪比設(shè)定為55.00 dB-Hz。采用四天線進(jìn)行功率合成，由于信號(hào)功率的提高，合成效率為75%時(shí)的載噪比為65.75 dB-Hz，合成效率為90%時(shí)的載噪比為66.54 dB-Hz。仿真結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6不難發(fā)現(xiàn)，在干信比小于20 dB的情況下，等效載噪比提高了2 dB-Hz以上，且兩種合成效率下的提升效果相當(dāng)。當(dāng)接收機(jī)的最低載噪比大于50.00 dB-Hz時(shí)，干信比相比于合成前提升了1.5 dB；即使最低載噪比要求降低到40 dB-Hz以下，盡管干信比沒(méi)有提升，但由于合成后信號(hào)功率的增加，接收機(jī)抗絕對(duì)干擾功率的提升幅度也是相當(dāng)可觀的。

圖6　等效載噪比隨干信比的變化關(guān)系Fig. 6　Variation relationship between equivalent carrier-to-noise ratio and jamming-to-signal ratio

4.2信號(hào)質(zhì)量

當(dāng)接收機(jī)同時(shí)接收N個(gè)天線的發(fā)射信號(hào)時(shí)，則接收到的復(fù)合信號(hào)S(t)為

(10)

式中：Ai為接收信號(hào)的幅度；p(t)表示值為±1的數(shù)據(jù)碼和偽碼的異或和；τi為時(shí)間延遲；n(t)為合成后的噪聲；f為發(fā)送信號(hào)的載波頻率；φ0為載波的初始相位。由于p(t)為數(shù)據(jù)與偽碼的異或和，若假定預(yù)補(bǔ)償后最大載波相位偏差2πfτi≤0.5π，因?yàn)棣觟?Tc，Tc為碼片周期，故不考慮時(shí)間τi對(duì)p(t)的影響。

針對(duì)信號(hào)存在功率誤差和相位誤差兩種具體情況：

1) 4路信號(hào)的時(shí)延τi=0，假設(shè)信號(hào)幅度分別為0.8A0、0.9A0、1.1A0和1.2A0。此時(shí)，接收信號(hào)為

S(t)=4A0p(t)cos(2πft+φ0)+n(t)

(11)

2) 4路信號(hào)的幅度Ai=A0，假設(shè)信號(hào)時(shí)延分別為1/36f、1/18f、1/12f和1/9f。此時(shí),接收信號(hào)為

S(t)=3.92A0p(t)cos(2πft+φ0-0.43)+n(t)

(12)

在4路信號(hào)存在功率誤差的情況下，接收機(jī)信號(hào)功率增強(qiáng)11.76 dB，無(wú)相位變化；在4路信號(hào)存在相位誤差的情況下，接收機(jī)信號(hào)功率增強(qiáng)11.58 dB，載波相位延遲0.43 rad；對(duì)載波相位的測(cè)量存在0.43 rad的固定偏差。上述結(jié)果表明，合成信號(hào)能夠有效提高星載接收機(jī)接收誤碼率和偽距測(cè)量精度。

5　結(jié)　論

采用分布式地面站天線作為基本輻射單元，對(duì)任意分布式天線陣型，通過(guò)初始相位測(cè)量、高精度相對(duì)定位對(duì)各陣元進(jìn)行相位預(yù)補(bǔ)償，分析了隨機(jī)相位誤差、輻射功率誤差對(duì)空間功率合成效率的影響。

1) 當(dāng)在[π/18, π/2)掃描范圍內(nèi)功率合成效率要求為75%時(shí)，相位精度因子應(yīng)不超過(guò)0.2，并可根據(jù)約束關(guān)系對(duì)初始相位標(biāo)定精度和相對(duì)定位精度進(jìn)行靈活配置。

2) 當(dāng)相對(duì)定位精度受限的情況下，可通過(guò)縮小波束掃描仰角范圍提高功率合成效率。

3) 在對(duì)合成效率要求較高(75%以上)的情況下，各天線輻射功率差對(duì)合成效率影響基本可忽略。

4) 空間功率合成能夠提高接收機(jī)抗干擾性能和信號(hào)測(cè)量的精度。

本文結(jié)論可直接應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航和航天測(cè)控等領(lǐng)域地面站進(jìn)行小型化、低功耗建設(shè)，提升地面站抗打擊能力。后續(xù)工作中可進(jìn)一步研究由于基線長(zhǎng)度增加導(dǎo)致的多普勒差對(duì)功率合成的影響以及消除方法。

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張可男， 博士研究生。主要研究方向： 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)。

Tel: 0731-84576541

E-mail: zhane0915@163.com

孫廣富男， 博士， 研究員， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)。

Tel: 0731-84576541

E-mail: sunguangfu_nnc@163.com

Spatial power combining based on distributed antennas in Earth station

ZHANG Ke*, LIU Zengjun, NIE Junwei, ZHU Xiangwei, SUN Guangfu

College of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha410073, China

Signal uploaded by Earth station of global navigation satellite system (GNSS) is weak when reaching satellite, and it is vulnerable to interference, then the antennas have the demand of multi-target uploading in peacetime and single target enhancing in jamming-time. A kind of spatial power combining is presented to enhance the upload signal using distributed antenna in Earth station since earth stations in GNSS are time synchronized with high precision. The upload signals at receiver on satellite are phase course synchronized with phase pre-compensation. Then the impact of phase error and power error on power combining efficiency is analyzed, so we obtain the constraint relationship between initial phase measure precision and relative positioning precision under certain efficiency. Also the quality and ant-jamming of synthesized signal in the receiver are analyzed. The theoretical and simulation results show that, when initial phase measure precision and relative positioning precision are both less than 0.2, the combining efficiency of 4 elements is more than 75% among the scan elevation range of over 10° and can be improved when the higher initial phase measure precision and relative positioning precision are available. But the transmiting power error can hardly affect the combining efficiency when efficiency larger than 75% is demanded. Distributed beam scanning antenna can enhance the power of the upload signal, so it can provide a solution to power enhancement suffered by self-propelled and miniaturized Earth station by arraying distributed antennas to achieve flexible combining and configurations of beam and power.

satellite navigation; distributed antennas; beam scan; phase pre-compensation; combining efficiency

2015-06-12; Revised: 2015-09-21; Accepted: 2016-01-04; Published online: 2016-01-0815:57

National Natural Science Foundation of China (61403413)

. Tel.: 0731-84576541E-mail: zhane0915@163.com

2015-06-12; 退修日期: 2015-09-21; 錄用日期: 2016-01-04;

時(shí)間: 2016-01-0815:57

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160108.1557.004.html

國(guó)家自然科學(xué)基金 (61403413)

.Tel.: 0731-84576541E-mail: zhane0915@163.com

10.7527/S1000-6893.2016.0001

V443+.4; N927.21

A

1000-6893(2016)06-1912-09

引用格式： 張可， 劉增軍， 聶俊偉， 等． 基于分布式地面站天線的空間功率合成[J]． 航空學(xué)報(bào), 2016, 37(6): 1912-1920. ZHANG K, LIU Z J, NIE J W, et al. Spatial power combining based on distributed antennas in Earth station[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(6): 1912-1920.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160108.1557.004.html