星载DBF多波束发射有源阵列天线
星载DBF多波束发射有源阵列天线
龚文斌(上海微小卫星工程中心,上海200050)摘要:低轨通信卫星大容量、终端小型化要求卫星采用多波束天线技术来实现高增益、宽覆盖.本文针对低轨CDMA通信系统,设计了具有近等通量 覆盖的平面阵列多波束发射天线,该天线由61微带单元天线阵、61个发射射频通道和数字波束形成网络组成;数字波束成形网络对输入的16个波束信号进行正交化、加权处理输出61路中频信号,由发射射频通道完成上变频和信号放大,最后通过天线阵辐射出去在空间形成期望的16个赋形波束覆盖.文章详细介绍了天线的实现方法和试验结果,通过对16波束发射天线原理样机的测试,结果表明天线各指标都符合设计要求,有效验证了天线系统设计的正确性.关键词:相控阵天线;数字波束形成;遗传算法;多波束中图分类号:TN927文献标识码:A文章编号:03722112(2010)12290406DBFMultiBeamTransmittingPhasedArrayAntennaonLEOSatellite
GONGWenbin(ShanghaiEngineeringCenterforMicrosatellites,Shanghai200050,China)Abstract:Tomeettherequirementsoflargesystemcapacityandminiaturizedterminalofmobilesatellitecommunication,MutibeamarrayantennaisadoptedtorealizethehighgainandwidecoveragebyLEOsatellite.ThispaperpresentsaplanartransmitterarrayantennawithequalfluxdensitycoverageaccordingtoCDMAstandardutilizedbyLEOsatellite.Thephasedarrayantennaconsistsofanarrayantennawith61microstripelements,61RFfrontends,anddigitalbeamformingnetwork(BFN).OrthogonaltransformandphaseamplitudeadjustmentarecompletedindigitalBFN.The61channelIFsignalsoutputtedbydigitalBFNareupconvertedandamplifiedbyRFfrontends,finallytransmittedbyarrayantennatorealizethedesiredshapedbeamcoverage.ThedesignmethodologyandmeasuredresultsofDBFphasedarrayantennaisdiscussedinthepaper.Themeasurementsdemonstratethatalltheparametersofarrayantennaareconsistentwiththepredefinedrequirements,whichvalidatestherationalityofsystemdesignandprojectimplementation.Keywords:phasedarrayantenna;digitalbeamforming;geneticalgorithm;multibeam
1引言星载天线是卫星有效载荷的重要组成部分,对整个卫星通信系统的性能有着极其重要的影响.上世纪九十年代,有源相控阵技术开始用于中、低轨道的星载多波束天线.如全球星系统采用功分器和合成器方式的射频波束成形网络来形成16个波束,铱星系统采用Butler矩阵的方式实现波束成形[1].射频波束成形方式一旦波束形成网络确定之后,波束形状、相邻波束的相交电平和波束指向等便固定了,不容易改动.特别是当要形成的波束数目较多时(几十个或上百个),波束形成网络的实现将变得十分复杂,且难以调整,要形成低副瓣电平的多波束或实现自适应控制更为困难.近十多年来,采用数字技术实现波束形成受到了广泛关注.目前,数字波束形成(DBF)技术已经开始应用于静止轨道的大型通信卫星,例如Inmarsat4卫星配置DBF有效载荷,可以形成228个点波束.与模拟波束形成网络相比,数字波束形成网络容易实现多波束、可以灵活改变波束形状、通道幅相误差校正方便等优点.基于数字波束成形技术的阵列天线技术由于其灵活、性能优越在地面智能天线和雷达中得到了应用[2,3].国内基于数字波束成形技术的星载天线通过近期的发展取得了一定突破,为实用化的星载DBF天线奠定了基础.鉴于模拟波束形成网络在实现上仍然受到国内加工工艺技术的影响,在集成实现上具有一定的难度;上海微小卫星工程中心于2004年提出采用DBF实现低轨多波束通信天线,并于2009年完成了同时产生16个发射波束的有源阵列天线原理样机研制与测试.本文首先提出了基于DBF方式的发射天线实现架收稿日期:20091015;修回日期:20100525第12期2010年12月电子学报ACTAELECTRONICASINICAVol.38No.12Dec.2010构,采用遗传算法设计了多目标优化的相控阵天线综合,实现了发射波束等通量 覆盖,提高频率复用效率;提出一种新型的波束成形网络成形系数复用的结构,简化波束成形网络复杂度,节省了2/3以上的资源;并给出了通道幅相一致性校正方法和实现方案.最后研制了DBF发射天线,通过暗室测量结果分析,有效实现了波束赋形和等通量覆盖的综合目标.
2多波束发射天线的设计21天线架构多波束相控阵发射天线可分为天线阵、射频单元和数字波束形成网络三个组成部分,图1为天线系统的原理框图.数字波束形成网络对输入的16个波束信号先进行正交变换,形成16个I/Q路正交信号,信号通过数字波束成形器的16!61矩阵加权计算,形成61路发射基带信号,经过校正单元来修正通道间的幅相不一致,送给61个发射射频通道,由发射组件完成信号的上变频、滤波、放大馈给天线,通过61个天线单元辐射出去,在空间形成所期望的16个波束[4].22天线阵陶瓷阵元材料的优点是温度和强度稳定性好,材料介电常数相对均匀(同一批次烧制),适用于星载实际应用环境,本天线方案选择陶瓷基片制作天线单元.介电常数885,阵元单独制造,表面以四氟材料的天线罩覆盖,天线阵组阵时将每个阵元连同天线罩固定安装在金属基板上,馈电探针穿过安装板,在天线阵面的另一侧与射频单元的SMA插座通过探针连接.单元按照正三角形栅格排列构成六边形61元阵列[5].如图2所示.本文的相控阵天线主要用在低轨通信卫星中,要求天线具有106∀的波束宽度,最低天线增益要求接近11dB.由于采用CDMA通信体制,用户容量也受波束间的相互干扰的影响.为了增大系统用户容量,多波束覆盖需要满足近等通量 覆盖要求[6].对于发射天线,天线激励权重在这里只选择相位因子.因为各个波束加入幅度激励的话,功放的非线性因素会导致附加的相位不一致性,影响波束的赋形效果.因此只能采用唯相综合方法[7].通过遗传算法的优化设计,以等通量赋形和同频波束旁瓣抑制为核心目标,得到61阵元相控阵天线16个波束的赋形图,如图3所示[8].可见为了补偿边缘波束自由空间路径损耗,16个波束整体赋形为碗口状,具体第三层边缘波束增益比中心波束增益高65dB.23射频发射组件发射射频模块把数字波束成形网络输出的模拟中频信号进行上变频、滤波、和功率放大之后馈给天线单元,由天线单元辐射出去.为了有效地抑制带外杂散,末级功率放大器之后还接有一个同轴腔体滤波器.为了实现射频通道之间幅相一致性的测试,在射频通道的功放处耦合信号,该信号通过射频接收通道至中频,由数字波束成形网络通过AD采样后进行处理.其中一个功放耦合输出两路,一路输出至61选1开关,另一路输出至下变频通道1,该路作为标称通道;其余60个功放耦合输出至61选1开关的其它60个输入端;开关输出连接下变频通道2输入端.幅相校正是在系统初始化阶段单独进行,此时波束形成网络产生参考信号送给61路通道,这里分时校正各通道的功能由控制模块完成.控制模块通过发送一定的控制信号到射频通道电子开关,就可以选择其中一路射频通道计算其修正因子.控制模块还需要发送控制电平协调幅相修正因子计算模块、参考信号发生器、RAM以及61路通道幅相修正各模块的时序.当系统完成了对61路通道修正因子的计算后,参考信号发生器停止信号发生,这时幅相加权模块开始工作,它们对前端波束形成网络提供的61路信号进行加权修正,使其幅相一致,然后发送到61路通道,并馈送至天线.图4是发射射频通道模块实物图.2905第12期龚文斌:星载DBF多波束发射有源阵列天线24数字波束成形网络数字波束形成网络主要完成信号采样、信道化、正交化、波束形成处理、幅相一致性调整和数模转换等.如图5所示.数字波束成形单元采用业界重构性能优越的FPGA作主体的架构.利用FPAG分布式计算能力,在中频、近零频段进行高速并行的数字运算.而且FPGA提供大量的DSPBlock和BlockRAM资源,可分别配置成乘法器硬核和软核,满足波束成形单元需要进行大量复数乘法运算的要求.数字波束形成网络的实现由一块背板和4块PCIE子板完成,子板与背板通过4个PCIE插槽连接,如图6所示[9].
241正交变换正交支路产生采用希尔波特变换,不采用接收天线常用的正交下变频处理.因为各波束信号频率结构不对称,若下变频到基带会造成上下边带频谱重叠,影响通信质量.而且正交和同相支路都需要混频滤波,资源开销会更大.由于各个波束信号为带通信号,可设计奇数阶具有反对称结构特点的#型希尔波特变换器.为了进一步节省资源设计具有半带结构的时域希尔波特变换器[10].其设计思路如下:设各波束信号x(n)的截止频点为2w0,将其频谱向下搬移w0,然后用滤波器取出[-w0,w0]的频谱,最后再向上搬移w0,得解析信号xc(n).242分布式数字波束成形DBF相控阵天线是在波束成形单元对基带信号进行波束赋形和扫描的,发射天线的波束成形网络数学模型如下.接入单元发射16个波束信号,以矢量表示:(B1,B2,∃,B16);相控阵天线共有61个阵元,每个阵元通道的信号矢量(T1,T2,∃,T61),波束成形部分的成型矩阵为:C16,61=C1,1C1,2∃∃C1,61C2,1∃∃∃∃C2,61∃∃∃∃C16,1∃∃C16,61(1)
其中矩阵胞元Ci,j代表在第j路射频通道中第i路波束信号幅相调整权重.第j阵元通道信号为:Tj=%16i=1Bi*Ci,j(2)需要进行16次复数乘累加运算.可见波束、天线阵元数较多的相控阵天线,其波束成形单元需要进行大量的并行乘累加运算.如本文涉及的16波束61通道波束成形器,需要1952个实数乘法器,运算量为3904G次复乘加/秒.因此采用分布式算法设计分布式数字波束成形器,以零硬件乘法器资源消耗完成高速并行的乘累加运算.分布式算法(DA)适合应用于固定系数的乘累加运算,它使用存储器来代替乘法器硬核实现乘累加功能.DA算法的本质是将各个系数所有可能的和的结果存储起来,然后用输入变量作为寻址地址,查找到的数据就是乘累加结果.正六边形相控阵天线本身关于120度的旋转对称性,可以根据波束空间阵列分解结果设计复用结构,以各波束为中心完成波束成形乘法运算,然后以阵元为中心进行对应的累加运算,完成波束成形操作.这样可以极大利用各子阵间共用成形系数的特点节省资源.25幅相校正相控阵天线波束成形效果的决定因素是各通道间群时延响应和幅频响应的不一致.通道的动态校正采用单音校正方式[11].幅相校正的基本框图见图7.各通道在2906电子学报2010年
星载多波束相控阵天线设计与综合优化技术研究
星载多波束相控阵天线设计与综合优化技术研究
尚勇;梁广;余金培;龚文斌
【期刊名称】《遥测遥控》
【年(卷),期】2012(033)004
【摘 要】针对采用CDMA协议的低轨通信卫星,设计一个19阵元7波束的六边形平面阵天线,克服了卫星波束大角度扫描带来的“边缘问题”和“远近效应”.采用粒子群优化算法分别对正六边形天线阵列进行综合优化,优化过程采用基于空间分裂的优化策略,极大地简化了波束赋形的参量数目.数值仿真结果表明,方向图各项指标均符合设计要求,有效地验证了天线设计和算法的正确性.
【总页数】6页(P37-41,45)
【作 者】尚勇;梁广;余金培;龚文斌
【作者单位】中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海200050;上海微小卫星工程中心 上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海200050;上海微小卫星工程中心 上海200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海200050;上海微小卫星工程中心 上海200050;上海微小卫星工程中心 上海200050
【正文语种】中 文
【中图分类】TN821.8
【相关文献】 1.星载多波束天线设计 [J], 段玉虎
2.可重构星载多波束相控阵天线设计与实现 [J], 梁广;龚文斌;刘会杰;余金培
3.星载多波束天线设计 [J], 段玉虎
4.新型宽带数字多波束相控阵天线设计* [J], 任燕飞; 张云; 曾浩; 郝黎宏; 唐洪军
5.新型宽带数字多波束相控阵天线设计 [J], 任燕飞; 张云; 曾浩; 郝黎宏; 唐洪军
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基于星载平台的收发前端组件研制
基于星载平台的收发前端组件研制
张先明;刘秉策
【摘 要】针对应用于星载平台的DBF收发前端需求,提出了一种收发前端组件设计思路、实现方法、环境可靠性设计,仿真优化了组件性能参数,实测结果与仿真设计基本吻合.实测结果表明设计的收发前端组件具有收发高隔离度、高增益、低噪声系数等特性,各项指标均满足要求.
【期刊名称】《电子世界》
【年(卷),期】2016(000)018
【总页数】3页(P131-132,134)
【关键词】星载收发前端;双工器;低噪声放大器;可靠性设计
【作 者】张先明;刘秉策
【作者单位】中国电子科技集团第三十八研究所;中国电子科技集团第三十八研究所
【正文语种】中 文
星载雷达具有全天候、全天时的观测能力，监视范围大，观察目标种类多，能从空中对海地空目标进行大范围高分辨率监视侦察跟踪，完成高速数据转发和测控任务等特点，因此国外主要发达国家对星载雷达的研发非常重视［1］。随着数字技术的高速发展，数字波束形成（DBF）技术也广泛运用于星载雷达，DBF技术其基本原理是将各天线阵列单元接收到的射频回波信号，无失真地变频成中频信号，再变换成数字信号，然后在高速数字波束形成计算机中进行加权和视频数字全程处理，以形成所需的灵活、高质量接收波束，具有扫描快速灵活，分辨率高，抗干扰和杂波性能优良等优点［2］。由于星载雷达所处空间环境的特殊性和寿命长、可靠性高、体积小、重量轻等要求，因此基于星载平台的DBF体制收发前端组件研制需要优化性能指标的同时，必须考虑环境适应性设计。
本文设计的基于星载平台的DBF体制收发前端组件收发通道同时工作，采用收发异频解决收发干扰。组件由双工器模块和低噪声放大器模块构成，主要负责前向对发射信号滤波；返向接收天线回波信号，同时低噪声放大后送入后端的变频单元，使前、返向接收链路共用天线，减少体积、重量。根据研制要求，基于星载平台的收发前端组件的基本设计思路如下：（1）使前向发射滤波、返向接收链路共用天线完成收发任务，采用收发异频解决收发干扰，使用双工器提供收发信号充分的频率抑制与隔离；（2）提高单机抗干扰的能力，必须提高单机中滤波器的带外抑制度，使放大器完全处于线性工作区域。（3）模块输入端、输出端采用同轴微带隔离器来满足驻波指标要求，同时以实现电路的良好匹配和防止自激以及通道输入、输出保护。（4）环境适应性设计，通过热设计、电磁兼容设计、结构设计等满足星载环境下长期可靠工作。
卫星监测多波束天线技术研究
电波卫士Radio Wave Guard
2017.08数字通信世界
63馈源介质透镜1 引言
多波束天线能实现一副天线同时接收多路信
号的功能，在卫星监测中开始得到越来越广泛的应
用。目前，多波束天线在星载天线上得到了较为广泛
的运用，而地球站天线由于较高增益要求使用多波
束天线的成本仍然较高，导致运用不够广泛。随着卫
星数量的爆炸性增长，及天线成本的下降，未来多
波束天线将是卫星监测天线的主流天线技术之一。
2 多波束天线
2.1 多波束天线的定义
多波束天线是指能产生多个高增益波束的天
线，这些波束（称为元波束）可以合成一个或几个成
形波束，以覆盖特定的空域。目前多波束天线主要
有三种形态：透镜式、反射面式、相控阵式等三种基本形式，此外，还有以相控阵作为反射面或透镜
馈源的混合形式。
2.2 透镜式多波束天线
利用透镜把馈源所辐射的能量汇聚起来形成一
个锐波束，当透镜焦点附近设置多个馈源时，便相应
形成指向不同的多个元波束。其工作原理如图1所示。
作者简介：蔡鸿昀，本科，助理工程师，主要从事无线电监测、卫星干扰源上行站定位以及卫星监测设备维护工作，主要研究方向为卫星监测新技术、天
线技术研究等。
李思静，本科，工程师，主要从事无线电监测、短波监测定位以及卫星干扰源上行定位工作，主要研究方向为短波监测新技术、信号分析等。
周 平，硕士研究生，工程师，主要从事无线电监测、卫星干扰源上行站定位工作，主要研究方向为卫星监测新技术、
天线技术等。卫星监测多波束天线技术研究
蔡鸿昀，李思静，周 平
（国家无线电监测中心深圳监测站，深圳 518120）
摘要：本文综述了三种主要形态的多波束天线，并分别给出其工作原理图，对三种基本多波束天线进行了性能比较。
关键词：多波束天线；卫星监测；相控阵天线
doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.08.026
中图分类号：TN82 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2017）08-0063-05
数字波束形成-DBF
数字波束形成-DBF
摘要
随着高速、超高速信号采集、传输及处理技术的发展,数字阵列雷达已成为当代雷达技术发展的一个重要趋势。数字波束形成(DBF)技术采用先进的数字信号处理技术对阵列天线接收到的信号进行处理,能够极大地提高雷达系统的抗干扰能力,是新一代军用雷达提高目标检测性能的关键技术之一。并且是无线通信智能天线中的核心技术。
本文介绍了数字波束形成技术的原理，对波束形成的信号模型进行了详细的推导，并且用matlab仿真了三种计算准则下的数字波束形成算法，理论分析和仿真结果表明以上三种算法都可以实现波束形成，并对三种算法进行了比较。同时研究了窄带信号的自适应波束形成的经典算法。研究并仿真了基于最小均方误差准则的LMS算法、RLS算法和MVDR自适应算法，并且做了一些比较。
关键词：数字波束形成、自适应波束形成、智能天线、最小均方误差、最大信噪比、最小方差
ABSTRACT
With the development of high-speed, ultra high-speed
signal acquisition, transmission and processing technology,
digital array radar has became an important trend in the
development of modern radar technology. Digital beamforming
(DBF) technology uses advanced digital signal processing
technology to process the signal received by antenna array. It can
improve the anti-jamming ability of radar system greatly and it is
基于阵列分解的星载相控阵天线波束成形网络设计①
摇凿燥蚤：员园援猿苑苑圆辕躁援蚤泽泽灶援员园园圆鄄园源苑园援圆园员园援园怨援园园远
基于阵列分解的星载相控阵天线波束成形网络设计
①
梁摇广
②摇龚文斌
摇余金培
③
（上海微小卫星工程中心摇上海圆园园园缘园）
（中科院上海微系统与信息技术研究所摇上海圆园园园缘园）
摘摇要摇根据“子阵列”理论，对星载阵列相控阵多波束天线的阵元空间和波束空间进行
子阵分割，分析天线阵元空间成形系数的复用情况，并结合分布式算法，在阵列分解基础上
提出了一种波束成形网络的复用结构，节省了远苑豫以上的资源。最后实现了波束成形网
络的试验验证平台，并完成了算法的移植和验证。结果表明，该波束成形网络比常规方法
节省了大量资源，并实现了多波束等通量覆盖的设计目标。
关键词摇相控阵天线，数字波束形成（阅月云），遗传算法，分布式算法
园摇引摇言
上世纪怨园年代，有源相控阵技术开始用于通信
卫星星载天线，它具有损耗低、可大角度动态扫描的
优势，而且可利用阵列天线的空间分集效果在地球
表面实现多波束覆盖，通过波束间频率复用极大提
高卫星通信系统的用户容量。有源相控阵天线可通
过馈电网络在射频实现模拟波束形成，或者通过数
字域处理在基带或中频实现。近年来，采用数字技
术实现波束形成受到了广泛关注。模拟波束形成网
络在波束数目要求很大（波束成百计）的大规模相控
阵天线设计上，需要设计非常复杂的功分网络和移
相结构，实现难度很大。而且数字波束形成（凿蚤早蚤贼葬造
遭藻葬皂枣燥则皂蚤灶早，阅月云）技术配置灵活，支持动态在轨重
构。它们重量更轻，体积更小，使得相控阵天线更易
做到小型化、低功耗。欧洲的粤则贼藻皂蚤泽卫星采用阅月云
技术的系统信道数量是采用模拟波束形成网络的圆
倍，而两者的等效质量基本相同（前者为员苑圆郾缘噪早，后
者为员愿源郾圆噪早），因此阅月云技术正成为相控阵天线的
发展趋势。圆园园缘年欧洲航空防务航天集团（耘粤阅杂）
的粤泽贼则蚤怎皂公司制造的陨灶皂葬则泽葬贼鄄源卫星利用阅月云技
一种阵列天线有源驻波比测试方法
一种阵列天线有源驻波比测试方法
阵列天线是由多个天线单元组成的天线系统，可以实现多波束形成和波束扫描等功能。在阵列天线的设计和优化过程中，常常需要测试阵列天线的性能，其中一个重要的指标就是驻波比。
驻波比是用来描述阵列天线系统中的阻抗匹配情况的一个参数，它反映了输入信号和输出信号之间的匹配程度。当阵列天线的输入端口与发射器或接收器之间的阻抗不匹配时，会产生驻波，从而引起信号的反射和损耗。因此，通过测试驻波比可以评估阵列天线的匹配性能，提供指导优化设计的依据。
下面介绍一种常用的阵列天线有源驻波比测试方法：
1. 准备测试设备：包括信号发生器、功率计、驻波比测试仪等。
2. 设置测试频率：根据实际需求，选择适当的测试频率。
3. 连接测试设备：将信号发生器连接到阵列天线的输入端口，将功率计连接到天线的输出端口。
4. 设置测试参数：根据测试要求，设置信号发生器的输出功率和频率，以及功率计的测量范围。
5. 测量驻波比：逐步改变信号发生器的频率，记录功率计测量到的反射功率和正向功率，计算得到驻波比。
6. 分析测试结果：根据测量到的驻波比数据，评估阵列天线的匹配性能。如果驻波比较小，接近于1，则说明阵列天线的匹配性能较好；如果驻波比较大，接近于无穷大，则说明阵列天线存在严重的阻抗不匹配问题。
还可以通过改变阵列天线的结构参数、优化天线布局和调整天线单元间的耦合方式等方法，进一步改善阵列天线的匹配性能。
阵列天线的有源驻波比测试是评估阵列天线匹配性能的重要手段之一。通过合理选择测试设备和参数设置，可以准确地测量阵列天线的驻波比，并据此优化设计，提高阵列天线的性能。
基于FPGA的DBF多波束中频接收系统的设计与实现
基于FPGA的DBF多波束中频接收系统的设计与实现
彭博;张波
【摘 要】数字波束形成(DBF)阵列能够充分利用阵列天线所获取的空间信息,通过信号处理技术使波束获得超分辨率和低旁瓣的性能,它由天线阵元、射频下变频模块、AD采样、中频接收系统及上位机控制器组成;对中频接收系统进行数字波束形成的具体方案进行讨论,对多路接收和AD量化一致性造成的各通道间失配提出了幅相校正的解决方案,详细分析了研制中的关键技术;实验结果表明所设计的DBF多波束中频接收系统可有效实现通道间失配的校正,并实现精确的波束赋形功能.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2016(024)007
【总页数】3页(P227-229)
【关键词】数字波束形成;通道失配;幅相校正
【作 者】彭博;张波
【作者单位】北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100191;北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100191
【正文语种】中 文
【中图分类】TN96
DBF(Digital Beam Forming)即数字波束形成技术是天线波束形成原理与数字信号处理技术相结合的产物[1]。数字波束形成技术能够充分利用阵列天线所获取的空间信息，通过信号处理技术使波束获得超分辨率和低旁瓣的性能[2]。现有的DBF系统大多采用单DSP[3]或者DSP和FPGA协同运算[4]实现，利用仿真的手段进行验证，或是单独讨论验证幅相校正的问题，完整设计并实现DBF多波束系统的方案较少，本文利用FPGA资源丰富、高速并行处理的优势，设计并实现了一种使用单片FPGA实现了4通道20波束的高精度的DBF多波束接收系统的方法，并与天线阵元及射频下变频模块等进行了级联测试，实验结果表明该系统可有效实现精确的波束赋形功能。
数字波束形成技术原理如图1所示。天线由N个天线阵元组成，对于某一方向(α角度)的入射信号，通过对由于接收天线空间位置不同引起的传播程差导致的相位差进行补偿，进行同向叠加，实现该方向的波束形成，最终完成该方向的最大能量接收。DBF基本处理数学模型如下式：
星载数字相控阵航天环境适应性设计
星载数字相控阵航天环境适应性设计
发布时间：2022-05-13T03:19:29.967Z 来源：《福光技术》2022年10期 作者： 李景峰 孙远涛[导读] 相控阵通过电子控制阵列中各单元的幅相权值，实现波束的方向、形状、功率分配等参数的无惯性改变，具有捷变、灵活、可靠性高等优势，在通信卫星天线中的应用占比逐渐扩大。
中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽合肥 230088
摘要：本文针对新体制、新技术、新器件的星载数字多波束相控阵，开展了包括力、热、辐照、电磁兼容等方面的航天环境适应性设计，使其在寿命期内预计遇到的各种环境的作用下，能实现所有预定功能和性能。
关键词：航天、数字相控阵、环境适应性设计
中图分类号: TN927.2 文献标志码: A 文章编号: Environmental Worthiness Design of Satellite-borne Digital Phased Array Li Jingfeng, SunYuantao
（The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)） Abstract: Aiming at the satellite-borne digital phased array with new structure, new technology and new decives, this paper carries out theenvironmental worthiness design, including mechanical design, thermal design, radiation-tolerant design and electromagnetic compatibility design. Keywords:Aerospace Product; Digital Phased Array; Environmental Worthiness Design
星载数字多波束相控阵天线若干关键技术研究的开题报告
星载数字多波束相控阵天线若干关键技术研究的开题报告
一、课题背景
在现代通信技术中，天线是十分重要的组成部分，而其性能的好坏可以直接影响通信系统的性能表现。传统的天线只能进行单一方向的通信，不能实现多方向的通信，因此相控阵技术应运而生。相控阵技术可以利用具有不同相位的天线元件，将它们的辐射方向相互叠加，实现多波束和方向性控制，从而实现更加高效和高可靠的通信。
而随着卫星应用范围的扩大，越来越多的卫星所需的通信能力变得越来越高，传统的天线组合已经无法满足需求。为此，研究一种新型的星载数字多波束相控阵天线技术，已成为卫星通信领域的研究热点。
二、研究目的
本课题的研究目的在于：
1. 分析多波束相控阵天线的原理和设计方法。
2. 研究数字化相控阵技术在多波束相控阵天线中的应用。
3. 研究无线链路传输信号的特点及其在多波束相控阵天线中的应用。
4. 研究多波束相控阵天线的优化设计方法和实现技术。
三、研究内容
本课题将重点研究以下内容：
1. 多波束相控阵天线的原理和设计方法：对多波束相控阵天线的原理进行详细的研究，并结合已有文献和实验结果，分析多波束相控阵天线的设计方法及其特点。
2. 数字化相控阵技术在多波束相控阵天线中的应用：研究数字化相控阵技术在多波束相控阵天线中的实现方法，了解数字化相控阵技术的发展现状以及其在卫星通信领域中的应用。
3. 无线链路传输信号的特点及其在多波束相控阵天线中的应用：研究无线链路传输信号的特点，分析多波束相控阵天线在接收和发送信号方面的应用，探讨优化无线链路传输信号在多波束相控阵天线设计中的应用。
4. 多波束相控阵天线的优化设计方法和实现技术：探讨多波束相控阵天线的优化设计方法，分析多波束天线的特点，了解天线材料的选择、元器件的选择以及链接方式等，研究如何应用实现技术来优化设计。 四、研究方法
本课题将采用以下研究方法：
1. 文献调研：查阅大量关于相控阵天线和数字化相控阵技术的相关文献，以掌握这一领域的研究现状和前沿。
星载数字多波束相控阵天线若干关键技术概要
星载数字多波束相控阵天线若干关键技术
多波束天线技术是提高卫星通信容量和覆盖性能的一项关键技术。随着数字信号处理器件和微波单片集成电路(MMIC)技术的发展,数字多波束相控阵天线技术应用于LEO卫星移动通信系统已成为可能。星载天线多波束赋形技术、射频通道间的幅相误差分析和校正以及DBF系统的非线性失真特性分析与测试等是数字多波束相控阵天线系统设计和实现的关键技术,这些关键技术的解决对星载数字多波束相控阵天线系统的研制起着重要的作用。本文针对这几项关键技术进行了研究。在LEO卫星移动通信系统中,“等通量”覆盖和最佳波束赋形是提高星载天线覆盖效率、保证最大系统容量的关键技术。与接收天线的波束赋形不同,发射天线的波束赋形除了满足主、旁瓣的要求外,还必须考虑阵列幅度加权对功率放大器效率的不利影响。论文提出了一种有限幅度加权的波束赋形新方法,并采用双重编码遗传算法实现阵列加权矢量的优化。通过有限位长的二进制编码把阵列加权矢量的幅度离散化来实现有限幅度加权,使幅度加权值仅仅在几个离散的台阶上变化,缩小了搜索空间,提高了算法的收敛速度;同时对阵列加权矢量的相位采用实数编码,保持了解的精确性。为了克服遗传算法的“早熟”,在采用自适应交叉和变异概率的基础上,提出一种“物种多样性”选择保留策略,使算法更有把握达到全局最优解或准全局最优解。理论分析和仿真结果表明,该方法能够在赋形波束的低旁瓣特性和功率放大器的高效率之间取得较好的折衷。射频通道间的幅相误差对DBF系统的性能有着重要影响,是DBF系统研究的一个热点。通常考虑幅相误差对DBF系统旁瓣电平、波束指向、方向图增益等性能指标的影响。近年来,误差矢量幅度(EVM)作为评估通信系统的信号调制质量的一个指标,已经在许多商业标准中获得了应用,它表征了实际测量信号与参考信号之间的误差。论文以EVM指标为评估对象,利用概率统计的方法分析了DBF系统射频通道间的幅相误差对通信信号调制性能的影响,并通过仿真验证了理论分析的正确性。研究表明,引入EVM指标不仅可以更加全面地反映DBF系统幅相误差所引起的传输信号的损伤,而且可以简化DBF系统测试的复杂度。在多变的空间环境中,射频通道的幅相特性会随着温度、时间的变化而改变,因此,DBF系统中通道间的幅相误差必须进行实时校正。在研究几种常用的星地环路校正技术的基础上,提出了一种m/WH复合正交码的星地环路校正新方法,研究表明该方法具有更好的鲁棒性;并进一步针对LEO卫星通信系统中附加路径损耗对校正性能的影响进行了仿真分析。在星载相控阵天线系统中,虽然星地环路校正方法可以较好地实现通道间的幅相误差的校正,但是校正系数的获得容易受到星地链路的影响。因此,论文提出了一种校正DBF系统发射射频通道幅相误差的星上校正方法,该方法在发射通道中同时注入多路正交码变换的校正测试信号,通过接收多路发射机输出的合成信号,在基带校正算法单元利用正交码的时间相关性和IDFT并行处理方法,同时得到多路射频通道的校正系数。仿真实验结果表明该方法可以有效地实现发射射频通道幅相误差的校正。发射组件是有源相控阵天线系统的核心部件,而发射组件的功率放大器又是发射组件的最关键部件,也是有源相控阵天线系统的最基本和最重要的部件。它直接决定了有源相控阵天线系统的性能和可靠性。它也是星载数字(发射)多波束相控阵天线系统中非线性失真的主要来源,非线性产生的带内失真和带外失真将直接影响DBF系统的性能。本文首先针对多波束系统,建立了表征互调波束特性的数学模型,对三阶互调波束进行了仿真分析;然后,通过ADS软件,构建了DBF系统级仿真模型,结合CDMA以及OFDM通信体制,分析了DBF系统发射机的带外和带内失真特性以及多波束的非线性失真特性,给出了相应的仿真结果。进一步研究了末级滤波器对DBF系统发射机非线性失真特性的影响。研究表明,末级滤波器可以有效抑制带外失真特性,但同时会导致带内失真的上升;与带内失真的上升相比,其带外失真特性的改善更具吸引力。DBF系统级的仿真分析可以更加全面有效地评估系统性能,降低设计风险,为星载DBF系统的工程实现提供参考与依据。