肖 遙，蔚保國(guó)1,,翟江鵬1,

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

全空域球面數(shù)字多波束天線波束控制方法研究

肖 遙2，蔚保國(guó)1,2,翟江鵬1,2

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

為適應(yīng)全空域?qū)Ш叫亲墓芾硇枨?，提出了一種全空域球面數(shù)字多波束天線系統(tǒng)的方案，在全空域內(nèi)同時(shí)形成多個(gè)波束，實(shí)現(xiàn)同時(shí)多目標(biāo)測(cè)控。針對(duì)球面陣列天線波束控制問題，提出了“波束滑動(dòng)掃描”算法，研究了球面陣波束交叉過渡、功率增強(qiáng)的方法。通過對(duì)波束方向圖的仿真分析，驗(yàn)證了波束控制方法的可行性和正確性。

全空域；球面陣；數(shù)字多波束形成；波束控制；陣列天線

0 引言

數(shù)字多波束天線是陣列天線技術(shù)與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的一種技術(shù)，同時(shí)具有陣列天線的波束電子掃描和數(shù)字信號(hào)高精度靈活處理的優(yōu)點(diǎn)[1]。數(shù)字多波束天線能夠同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)波束，完成對(duì)多個(gè)目標(biāo)的連續(xù)跟蹤、測(cè)量和通信任務(wù)，是解決多目標(biāo)測(cè)控技術(shù)的一種有效途徑[2]。

傳統(tǒng)的陣列天線大都采用平面陣列的形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法成熟的特點(diǎn)[3]。平面陣列天線波束隨著掃描角度的增加會(huì)出現(xiàn)性能下降的問題，表現(xiàn)為波束變寬、增益下降，無法實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋[4]。為了實(shí)現(xiàn)全空域波束覆蓋，可采用立體陣[5]的陣列形式。立體布陣一般有2種設(shè)計(jì)思路[6]：多面體陣列形式和賦型陣列形式。多面體了四列形式采用多個(gè)平面陣拼接，如4面或5面拼陣方案，每個(gè)面掃描一定范圍，多個(gè)平面聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋[7]；賦型陣列形式陣元均勻分布在球面或柱面等立體表面，依托立體的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋[8]。

本文主要針對(duì)球面數(shù)字多波束陣列天線系統(tǒng)，研究其波束控制方法，并進(jìn)行相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)。

1 球面陣列天線架構(gòu)

本文介紹了一種利用半球面加圓柱面的陣列天線形式，陣元均勻地分布在半球和圓柱表面，單元間距取半波長(zhǎng)，網(wǎng)格球頂陣列天線布陣示意圖如圖1所示[9]。增加圓柱面陣列天線，改善了波束在低仰角時(shí)的增益，達(dá)到全空域覆蓋[10]。

從空間任何角度觀察，理想的球面陣列天線工作口徑都是一個(gè)同樣大小的圓形陣面，這樣的特點(diǎn)確保了陣列天線在低仰角形成的波束同法線方向波束具有同樣優(yōu)異的特性。球面陣列天線在正常的工作情況下，通過波束指向，選通陣列天線上一定區(qū)域的通道，形成一個(gè)工作狀態(tài)的天線口徑，且該天線口徑的法線方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)，并通過數(shù)字波束形成(Digital Beamforming，DBF)產(chǎn)生指向目標(biāo)的波束。當(dāng)目標(biāo)位置發(fā)生時(shí)，需通過控制球面陣通道的選通和關(guān)閉，維持陣列天線工作口徑的更新，以“波束滑動(dòng)”的方式使波束始終指向衛(wèi)星。球面陣列天線的波束在滑動(dòng)過程中能夠保持恒定的波束寬度和增益，是實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋的最佳陣列形式。

圖1 球面陣天線

發(fā)射數(shù)字多波束天線主要由發(fā)射天線單元、發(fā)射信道(包括功放和上變頻器)、D/A轉(zhuǎn)換器、數(shù)字多波束形成模塊(包括波束形成器、波束控制器和編碼調(diào)制器)和控制與信息處理計(jì)算機(jī)等部分組成，如圖2所示[11-12]。

圖2 數(shù)字多波束天線發(fā)射原理

在控制與信息處理計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)目標(biāo)位置，選擇作用陣元，控制其基帶信號(hào)產(chǎn)生單元產(chǎn)生基帶信號(hào)，發(fā)送至數(shù)字多波束形成模塊，未參與波束形成的區(qū)域，則關(guān)閉通道。各波束信號(hào)在波束控制器的控制下，經(jīng)波束形成器產(chǎn)生指向各目標(biāo)的陣列信號(hào)，多個(gè)波束的陣列信號(hào)在波束形成器中疊加，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)上變頻、功率放大，由天線陣元輻射到空間。

2 波束滑動(dòng)掃描方法

2.1 球面陣列天線波束掃描面臨的問題

平面陣列天線工作過程中，全部通道同時(shí)參與波束形成。由于波束指向相對(duì)各個(gè)單元天線的俯仰角相同，理論上各單元天線在某一指向波束形成過程中貢獻(xiàn)相同的增益。通過各通道權(quán)值的實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)波束在空間的電子掃描。

球面陣列天線工作過程中，通常選擇球面一部分區(qū)域內(nèi)通道(通常為一定立體角范圍內(nèi)的球冠表面)參與波束形成[13]，隨著波束的掃描，該區(qū)域也不斷發(fā)生變化，因此參與波束形成的通道是動(dòng)態(tài)變化更新的。

同時(shí)進(jìn)行多個(gè)波束形成時(shí)，當(dāng)2個(gè)波束指向比較接近時(shí)，參與2個(gè)波束形成的區(qū)域?qū)⒋嬖谝欢ǖ闹睾?，重合部分通道同時(shí)參與2個(gè)波束的形成，數(shù)字波束形成技術(shù)為該問題提供了有效的解決途徑。

2.2 波束滑動(dòng)掃描方法

球面陣列天線波束合成時(shí)，根據(jù)期望波束指向，選通陣列天線上一定區(qū)域的陣元，該選通區(qū)域的法線方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)，并產(chǎn)生指向目標(biāo)的波束[14]。對(duì)于球面陣天線，假設(shè)期望波束指向角度為(θ,φ)，要求波束寬度為α；由于單元天線在不同方向的增益不同，法線方向增益最大，隨著指向偏離法線方向，增益逐漸降低，因此，在陣列主波束覆蓋范圍α內(nèi)，某些陣元實(shí)際上并沒有貢獻(xiàn)。換言之，對(duì)于陣列主波束來說，存在一個(gè)區(qū)域(如圖3中陰影區(qū)域)，該區(qū)域的陣元不參與陣列波束形成。

圖3 球面陣

在球面陣中根據(jù)波束指向選定圓形陣面作用陣元后，通過數(shù)字波束形成技術(shù)[15]，產(chǎn)生指向目標(biāo)的波束。在球面陣列天線中，波束掃描比較復(fù)雜，隨著目標(biāo)位置發(fā)生變化，通過控制球面陣通道的選通和關(guān)閉，維持著陣列天線作用區(qū)域的變化，以波束掃描的方式，使波束始終指向目標(biāo)。

2.3 仿真分析

在方位-145°方向上，波束以1°為間隔從40°掃描到50°的過程如圖4所示。

圖4 (-145°，40°)～(-145°,50°)掃描的波束方向圖

不同俯仰角所對(duì)應(yīng)的主波束方向圖的形狀基本上保持一致，峰值電平略有不同。通過40°～50°的掃描過程中，俯仰角在40°～47°時(shí)，峰值電平的取值為43.637 dB；俯仰角在48°～50°時(shí)，峰值電平的取值為43.694 dB，峰值電平變化約0.057 dB，這種變化電平在發(fā)射過程中是可以接受的。由于球面陣列天線的陣元布局設(shè)計(jì)問題，不同方向上參與作用陣元數(shù)量不同，通過觀察，對(duì)波束形成方向圖無明顯影響，可忽略不計(jì)。

3 波束交叉過渡及功率增強(qiáng)方法

3.1 波束交叉過渡

在球面陣列天線執(zhí)行多目標(biāo)任務(wù)時(shí)，根據(jù)空間目標(biāo)的分布，分別選通陣面上不同作用區(qū)域的陣元，形成指向不同目標(biāo)的波束。由于目標(biāo)位置發(fā)生變化，波束指向隨之發(fā)生變化。在變化的過程中，產(chǎn)生2個(gè)或更多波束交叉過渡的現(xiàn)象。

設(shè)數(shù)字多波束陣列天線具有N個(gè)陣元，同時(shí)產(chǎn)生M個(gè)發(fā)射波束(M

當(dāng)2個(gè)目標(biāo)分別在(-150°，80°)和(-120°，80°)方向時(shí)，其對(duì)應(yīng)的作用陣元區(qū)域發(fā)生重疊，如圖5(a)所示。通過波束交叉過渡方法產(chǎn)生2個(gè)波束，方位角為80°的方向上的波束方向圖，如圖5(b)所示?？梢钥闯?個(gè)波束分別指向目標(biāo)方向。

(a) 作用陣元區(qū)域

(b) 波束方向圖圖5 (-150°，80°)和(-120°，80°)作用陣元位置及波束方向圖

3.2 波束功率增強(qiáng)

在球面陣列天線工作的過程中，根據(jù)要求，有時(shí)需要增強(qiáng)波束功率。球面陣列天線波束合成由部分陣元完成，而波束的EIRP與陣元數(shù)目、陣元方向圖等有密切關(guān)系。

發(fā)射功率的核算公式為：

(1)

式中，P單通道輸出功率為作用單元通道的輸出功率；N為參與波束形成的陣元個(gè)數(shù)。

由式(1)可知，波束的EIRP能力主要取決于單通道功率輸出、陣列天線通道數(shù)量和單元天線增益3個(gè)因素。對(duì)于球面陣來說通過增加參與波束合成的通道數(shù)量，可以顯著提高陣列天線的發(fā)射EIRP能力。

只需要在波束形成算法中擴(kuò)大作用陣元的選擇區(qū)域，使作用陣元數(shù)增多，即可提高波束EIRP能力。在同指向(60°，45°)情況下，選取陣元的波束覆蓋范圍從60°擴(kuò)大為90°，如圖6所示。在單通道輸出功率和單元天線增益不變的情況下，作用陣元區(qū)域擴(kuò)大后作用陣元數(shù)量由151增加到330，通道數(shù)增多，帶入式(1)可以得出，波束EIRP增加15.64 dB。由此得出，可以通過擴(kuò)大作用區(qū)域以提高波束功率。

圖6 (60°，45°)方向上擴(kuò)大作用陣元區(qū)域

隨著選通通道數(shù)量的增加，陣列天線口徑也隨之變大，導(dǎo)致波束特性發(fā)生變化，波束寬度變窄，波束增益提高，旁瓣電平升高。如圖7所示。作用陣元由151增加到330時(shí)，波束3 dB寬度由6.14°減小到4.16°，波束增益由43.58 dB增加到50.37 dB，旁瓣電平由26.65 dB增加到34.51 dB。

圖7 波束方向圖對(duì)比

4 結(jié)束語

全空域數(shù)字多波束天線系統(tǒng)通過采用“空分多址+碼分多址”[17]體制，同時(shí)完成針對(duì)多目標(biāo)的測(cè)量和通信任務(wù)，可以極大地提升地面測(cè)控系統(tǒng)的工作能力。該系統(tǒng)代表了地面測(cè)控系統(tǒng)的主流發(fā)展趨勢(shì)，是解決多目標(biāo)管理的一種有效手段，將在未來地面測(cè)控系統(tǒng)中發(fā)揮重要所用。本文針對(duì)球面數(shù)字多波束天線的波束控制方面進(jìn)行了研究，為地面測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展和建設(shè)提供了新的思路。

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肖 遙 女，(1991—)，碩士研究生。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航。

蔚保國(guó) 男，(1966—)，博士生導(dǎo)師，研究員。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航總體技術(shù)、航天測(cè)控技術(shù)、陣列信號(hào)處理技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)等。

Research on Beam Control of Spherical Digital Multi-beam Antenna in Hemispherical Coverage

XIAO Yao2,YU Bao-guo1,2,ZHAI Jiang-peng1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

In order to adapt to the requirements of navigation constellation management in hemispherical coverage,a solution of spherical digital multi-beam antenna system in hemispherical coverage is proposed.The multiple beams are formed in hemispherical coverage to realize simultaneous multi-target navigation.Aiming at the control of spherical array antennas beam,this paper proposes a “beam slip scanning” algorithm,and studies the method of beam cross-transition and power enhancement.The feasibility and correctness of the beam control method is verified by the simulation analysis of beam pattern.

hemispherical coverage;spherical array;digital multi-beam forming;beam control;array antenna

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.10

肖 遙,蔚保國(guó),翟江鵬.全空域球面數(shù)字多波束天線波束控制方法研究[J].無線電工程,2017,47(3):39-42,74.

2016-12-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91638203)。

TN823

A

1003-3106(2017)03-0039-04