多波束天线综述
多波束天线(MBA———Multiple Beam Antenna)由于其能够高增益地覆盖较大的地面区域而且又能根据需要调整波束形状而得到深入研究和广泛于卫星通信系统。多波束天线是能够同时产生多个子波束(点波束),从而覆盖地面上所关心的区域的天线系统,根据不同的通信需要,子波束和总波束的关系大致可分为几种情况:固定区域点波束覆盖,非固定区域点波束覆盖和赋形束覆盖。多波束天线与传统天线不同，它只在指定的区域有较高的增益值，而在其他地方增益很低，所以能减少覆盖区域外地面站对多波束系统造成的干扰，提高系统的频谱利用率和信道容量，提供有效全辐射功率和接收系统品质因素G/T值，并使卫星地面站终端设备得到简化和降低成本。另一方面，由于地球的曲率，卫星覆盖下的区域到达卫星的路径并不相等，星下点路径最短，远离星下点的区域路径较远，这就引起了远近效应的问题对于通信卫星系统而言，等通量覆盖是保证系统性能稳定的关键因素之一而这恰恰是多波束天线的优势因为多波束天线是通过几个高增益的窄波束合成一个等效的高增益宽波束，所以可以通过调整每个波束的增益大小，实现对地面的等通量覆盖。
(1)固定区域点波束覆盖：
固定区域点波束覆盖是指所有的点波束彼此独立地照射地面上不同的固定区域,总的波束则覆盖有关国家和地区,这种点波束方式往往用于同步卫星通信系统,近年来也应用于同步卫星通信系统,称为所谓“凝视天线”。这种系统,当卫星移动时,天线始终照射着某一固定区域并保持波束覆盖图不变,直到该区域边缘的仰角小于最小仰角。
(2)赋形束覆盖
赋形束覆盖是指点波束在地面上相互迭加,得到的辐射方向图形成所需要的图形─赋形束,这种方式也往往用于同步卫星通信系统.赋形束的概念在二十多年前就提出来了,其天线由反射面和单个馈元或由少量的馈元组成的馈元阵组成(后者可以看成多波束天线).任何形状的方向图都可以通过设计反射面的形状,在光学口面产生所需的振幅和相位分布来实现,而
反射面的形状的设计,可用几何光学或物理光学方法.这样得到的天线称为赋形天线.图2给出了采用口面综合设计的赋形反射面天线所得到的覆盖美国大陆的方向图[6].
（美国）
日本地图全貌
实现方向图调整,得到赋形束的另一方法是调整MBA的馈元阵各辐射元激励的相位和振幅[给出了日本电报电话公司研制的多波段卫星通信天线系统Ku波段覆盖日本全境的赋形方向图。
（(3)非固定区域点波束覆盖
非固定区域点波束覆盖是指所有点波束在3dB处彼此相互连接,总波束覆盖一定面积的区域,但覆盖区域随卫星的运动而移动.这种方式往往用于非同步(低,中轨)卫星通信系统.使用这种卫星通信系统,当地面终端由于卫星的运动(和由于地面终端本身的运动)从一个点波束下移动到另一个点波束下时,由于采用了波束切换技术,通信不会受到影响.图4给出了37个点波束覆盖的示意图,美国的Odyssey,欧洲航天局的MAGSS-14移动卫星通信系统就是采用这种37束的点波束覆盖.
MBA有三种基本类型:反射式MBA,透射式MBA和直接辐射相控阵MBA.一般来说,反射式MBA和透射式MBA重量较轻,结构简单,设计技术比较成熟,因而最先得到广泛应用;相
控阵MBA随着MMIC技术和固态功率放大技术的发展也应用于卫星天线.它具有一系列好于前二者的优点,如较高的口面效率,没有泄漏损失,没有口面遮挡,可靠性高等;然而其重量较重,结构和制造工艺复杂,以及功率损耗较高等缺点也是不容忽视的
当今反射面的发展在于结构高精度、成形反射面、再构形反射面以及二向色性多频段反射面的研究与开发，星上天线的再构形能力，无中间互调多波束成形网络的研制、MMIC 技术，除此以外,为了减轻反射面的重量,对厘米波段采用薄壳技术;对毫米波、亚毫米波段,研究引入新材料或有源表面控制,以减轻重量和高频损耗;对于低频段,直径达20m的大型反射面必须采用可折叠的天线
2 反射式MBA和透射式MBA
反射式MBA和透射式MBA具有相似的结构,通常由聚束器件(反射镜或透镜),初级辐射器阵列(喇叭或其他天线阵列)已及其他有关组件(如馈源阵相位振幅控制器(PAC),束形成网络(BFN)等)组成,有多种类型:
—按聚束器件的数目可分为单口面式或多口面式;
—按初级辐射器的数目可分为单喇叭式或多喇叭式;
—按形成点束的方式可以分为基本成束法或增强型的成束法
因此,实际的MBA可能有多种组成方案,如单口面多喇叭反射式MBA,多口面多喇叭透射式MBA等等,基本目标是使最小覆盖区域(一个点波束内)的增益取极大值,同时兼顾低旁瓣和交叉极化电平的要求.以下着重阐述单口面设计和多口面设计、多喇叭阵列的基本成束法和增强型成束法以及反射式设计和透射式设计等几种最常用的类型的原理、结构、优缺点等有关问题。
2.1单口面设计和多口面设计
MBA的多个波束可以通过一个口面产生,也可以通过多个口面产生,分别称为单口面设计和多口面设计..研究表明,与单口面MBA相比,多口面MBA确实具有增益高,旁瓣电平低及抗干扰性能好的优点。
图5给出了单口面,三口面和四口面设计产生19个点波束的示意图.从图中可以看出,对单口面设计,所有的波束均是由同一个口面产生的,而对多口面设计,相邻的波束是通过不同
的口面产生的.也就是说,同一口面产生的波束在地面是被其它口面产生的波束分隔开的.这样一来,对多口面设计,同一口面产生的波束的最小间隔(对应于两波束中心的距离或半功率宽度)就分别增加到单一口面时的3倍(对三口面)或2倍(对四口面),如图所示.较大的束间隔使得我们可以扩大喇叭口径来减小泄漏,从而提高增益和改善旁瓣水平.加拿大的一个军事卫星通信系统采用了多口面MBA,用四个介电透镜实现了全球覆盖。
研究表明,尽管多口面MBA具有增益高,旁瓣电平低及抗干扰性能好的优点,但其结构复杂,质量重,加工制造和卫星发射方面的费用较高,还可能产生由于不同口面的瞄准误差不同所引起的覆盖失真.因此,在选择使用这两种设计时,必需综合考虑各方面的因素。多口MBA 的另一重要功能是提高卫星通信系统的频率利用率.例如,在图5(b)和(c)中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分别代表使用不同频率的小区,频率复用率分别为3、和4。
2.2多喇叭阵列的基本成束法和增强型成束法
正如上节所述,单口面多喇叭MBA的增益比多口面多喇叭MBA的增益低,但具有结构简单,重量轻,造价低的优点,因此仍然受到重视.本节主要分析比较单口面多喇叭MBA的两种成束方法.采用单口面多喇叭系统产生多波束有两种方法:一种是比较简单的基本成束法,另一种是较为复杂的增强型成束法.图6给出了两种方法的示意图。
图6(a)所示的为基本成束法,其特点是每一波束来源于一个喇叭.这种设计的优点是结构简单,缺点是增益不高,通常要比单个喇叭时的优化峰值增益低2~3dB,这是因为要提高增益,就需要较大的喇叭口径,然而大的口径又使旁瓣水平和相邻束覆盖性能变坏.文献[14]研究了喇叭口径对天线特性的影响,指出要满足3dB的相邻束覆盖的要求将导致-19dB的高旁瓣水平;而要实现-30dB的低旁瓣水平设计又会产生-23dB的相邻束覆盖.因此,基本成束法不能同时满足低旁瓣水平和好的相邻束覆盖的要求。
增强型成束方法如图6(b)所示.每一波束是由一组喇叭产生,即每一波束是由一组喇叭中的每个喇叭产生的分波束。迭加而成的复合束.例如波束2是由喇叭1,2,3,7,8,9,19所产生的分波束的迭加.这里,由六个喇叭(7,8,9,19,3,1)成圆环状绕一个喇叭(2)组成的七元阵喇叭群是MBA常用的一种馈源阵.这种七元阵的优点在于它比基本成束法具有更多的自由度来调节优化MBA的各种性能.例如,它可以通过调节七元阵中处于圆周上的某些喇叭的振幅和相位在围绕中心束的360度方向上控制旁瓣水平,它可以通过改变各喇叭的激励来实现所需要的方向图以消除干扰和阻塞。
2.3反射式和透射式
MBA采用反射式设计还是透射式设计要按要求和所能实现的条件而定,目前两种设计
都被应用.一般地说,多口面MBA较多地采用透镜式设计;单口面MBA既可采用反射式设计也可采用透射式设计.但是,文献[14]认为,对单口面MBA,透射式系统的重量至少是反射式系统的两倍,因而更多地采用反射镜式设计.反射式设计又多采用偏置结构.采用偏置结构,不仅避免了反射面对馈源的反作用,也避免了馈源对反射面的遮挡,有利于提高天线增益和降低旁瓣水平.但是由于采用了偏置,反射面必不对称,交叉极化电平会有所提高.反射面有抛物线型,双曲线型,赋型等.采用偏置双曲面镜作MBA,其缺点是口径较大,交叉极化电平较高,还有由
于偏焦所引起的扫描束方向图畸变[18].目前应用较多的是辐射元置于焦面上的偏置抛物面
反射镜和赋型反射镜。
2.4 MBA设计
2.4.1 一般原则：
在这种天线的设计中，首先要确定天线的几何参数，包括反射面的口径D、馈源高度h、焦距F、馈源尺寸、馈源阵尺寸等。这些可以根据所要求的增益、副瓣电平、正交极化电平及交叠电平来决定，然后再确定馈源的激励系数。多波束天线技术中,反射面天线的口径D、焦距F、喇叭尺寸以及馈源阵的排列、工作频率的选择等等,这些因素相互制约。波束设计就是用一组合适的波束来覆盖服务区。优化过程是在综合各种因素、兼顾不同需求的条件下,反复比较、筛选中完成的。
在天线设计及波束优化中需要考虑和满足下列要求:
·子波束指向星视地图上的指定位置。
·为使系统能正常运行,服务区内波束增益的起伏应控制在2dB左右。
·子波束交接电平的选择应兼顾上、下行工作频率及中心波束与边缘波束。
·高增益、低旁瓣和高波束效率的要求。
2.4.2 反射面型式和口径D的选取
一般情况下,在用反射面天线实现多波束时,为了避免由于馈源阵尺寸庞大而造成的遮挡影响,天线采用偏置抛物面形式,馈源阵处于焦平面上。
在这种天线的设计中，首先要确定天线的几何参数，包括反射面的口径D、馈源高度h、焦距F、馈源尺寸、馈源阵尺寸等。这些可以根据所要求的增益、副瓣电平、正交极化电平及交叠电平来决定，然后再确定馈源的激励系数。MBA的设计和性能分析是复杂而繁琐的,需要反复迭代.但是若能给出一些简单的计算公式进行初步的估算是有益的.这里给出一个单口面MBA的例子:首先,根据卫星高度和最低仰角要求可大致确定覆盖面积A(°).而单反射面多喇叭MBA的喇叭总数N(也即点波束数)则决定于所覆盖的面积A(°)及口面直径与波长比(D/λ),这里给出了一个计算公式：
对单抛物面反射式MBA,口面直径与波长比(D/λ)又依赖于半功率宽度Θo(°)和峰值旁瓣水平SL(-dB)。这里给出了一个计算公式:
其中, D为天线口径;SL为副瓣电平( - dB);θ3dB表示3dB波束宽度(°) 。
通过这两个关系式,可以确定任意两个量,例如给定A(°)、SL(-dB)和Θo(°),可确定N 和D。焦距F通常选择为口径D的0·8~1·7倍，较大的F/D值使MBA有较好的扫描性能和交叉极化水平.这样就得到了MBA的基本参量。
3直接辐射相控阵MBA
直接辐射相控阵天线应用于MBA原来一直受到束形成网络(BFN)结构复杂,损耗大,重
量重和造价高等条件的限制.随着MMIC（单片微波集成电路）技术的进展,固态功率放大器,低噪声功率放大器等有源器件都可以作到辐射元的水平上,这就为有源相控阵用于MBA创造了条件。
有两种基本形式的相控阵MBA。一种是单片法(monolithic approach),它是把整个阵或子阵都集成在单块芯片上。另一种是混合单片法(hybrid monolithic approach)，它把制作在不同芯片上的天线阵或子阵组合在一起.混合单片法更有能效地使用天线辐射口面，因而得到更广泛的运用。混合单片法又可分为砖式结构和瓦式结构,如图7所示[22]。在图7(a)中,MMIC 模块是垂直于天线辐射口面的,它应用天线阵的深度来安排MMIC电路.在图7(b)中,一些MMIC模块及其RF.混合和信号分配网络集成成一行(或一列或一个子阵),但是这些器件仍然是垂直于天线辐射口面的，因而仍然是砖式结构。在图7(c)中,有源器件和分配网络集成在天线辐射口面背后并与之平行的薄层中.这种结构由于应用了高密度集成技术实现了体积,重量和成本的降低.图8是一个典型的瓦式结构的剖面图,它采用微带-缝偶合的腔基圆贴片作辐射元。用这样的16个辐射元组成的相控子阵,工作在29·6GHz,大小为3·2×3·2×0·75cm3,
增益5dB,EIRP可实现75W.把N个这样的子阵联结到一个具有RF/DC/LOGIC的母板上,EIRP 可按N2倍数增加。
相控阵MBA的辐射元一般是印制在衬底上的贴片,缝隙或带缝隙的贴片.辐射元可排列成三角点阵或矩形点阵；相位子阵也可按三角方式或矩形方式或其他形式排列。辐射元间距和子阵元间距决定于工作波长。把两种不同间距的辐射元迭加制作在同一个辐射口面上，可实现收发频率不同时的收发共用天线。图9给出了一个双频微带天线的示意图，其中，接收(L波段)元间距为1·25λ，发射(S波段)元间距为1·1λ。
4多波束天线的设计
4.1 一般原则：
多波束天线技术中,反射面天线的口径D、焦距F、喇叭尺寸以及馈源阵的排列、工作频率的选择等等,这些因素相互制约。波束设计就是用一组合适的波束来覆盖服务区。优化过程是在综合各种因素、兼顾不同需求的条件下,反复比较、筛选中完成的。
在天线设计及波束优化中需要考虑和满足下列要求:
·子波束指向星视地图上的指定位置。
·为使系统能正常运行,服务区内波束增益的起伏应控制在2dB左右。
·子波束交接电平的选择应兼顾上、下行工作频率及中心波束与边缘波束。
·高增益、低旁瓣和高波束效率的要求。
4.2 反射面型式和口径D的选取
一般情况下,在用反射面天线实现多波束时,为了避免由于馈源阵尺寸庞大而造成的遮挡影响,天线采用偏置抛物面形式,馈源阵处于焦平面上。
天线口径D的大小取决于子波束的波束宽度和副瓣电平要求，其关系式如下：
其中, D为天线口径;SL为副瓣电平( - dB);θ3dB表示3dB波束宽度(°) 。
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多波束形成技术研究 陈晓萍 （中国西南电子技术研究所，四川成都610036） 摘要：讨论了跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）中关于多波束形成的算法，优选的有LMS自适应方式和相位调整自适应方式；并简单介绍了波束控制和波束形成的实现。 关键词：TDRSS；多波束形成；LMS自适应算法；相位调整自适应算法 一、前言 随着航天技术的发展，要求测控通信站能高覆盖地对飞船等多个目标进行测控通信。要解决这个问题靠现有地面测控网和业务接收站已不能满足要求，需要建立天基测控通信系统，即跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)。 TDRSS把测控通信站搬移到天上同步定点轨道的中继星上，从上向下观测中低轨卫星、飞船、航天飞机等空间飞行器，从而提高了覆盖率。为了减轻中继星的复杂性和负担，将中继卫星观测到的数据和信息传到地面，由地面中心站进行处理。TDRSS中继星相控阵天线同时与多个用户航天器保持跟踪，地面站到航天器的正向通讯为时分多波束，反向通讯为码分和同时多波束。为了减轻中继星的负担，中继星上只装有形成正向天线波束扫描所需的电调移相器，由地面终端计算并发出指令，调节星上移相器相位，让天线波束以时分方式扫描对准各用户航天器，在对准期间完成正向数传。多个用户航天器送到中继星的反向数传信号在星上进行多波束形成会大大增加中继星的复杂性，反向信号经星上阵列天线接收和变换，各阵元收到的信号用频分多路方式相互隔离送往地面，由地面接收前端将频分多路还原成同频多路阵元输出，交由终端进行相控阵多波束形成处理。所谓波束形成, 就是利用开环控制或闭环自适应跟踪方法，对不同反向到达的信号用不同的权系数矢量对各阵元输出进行幅度和相位加权, 使各阵元收到的同一用户信号在合成器中得以同相相加, 输出信号最大, 干扰和噪声最小。当存在多个目标时, 地面终端利用码分多址方法和利用多个波束形成器并行地完成各目标的波束合成处理完成各用户的数传与测控。 二、多波束形成算法 数据中继卫星系统在多址方式下，服务对象一般分布在较低的地球轨道上，当用户星离地面的轨道高度在3 000 km以下时，中继星各阵元波束宽度只要26°就可覆盖地球周围的所有用户星。 当用户星以最大速度10 km/s运动,用户星穿过3.5°宽的合成波束所需的时间最短为205 s，所以中继星跟踪用户星所需的波束移动角速度是很小的。假定波束移动步进量为阵合成波束宽度3.5°的5％即0.175°，波束步进间隔时间长达10.5 s。只要计算机能在10.5 s 内依据用户星位置更新相控阵的相位加权系数，就会使合成波束移动并时刻对准目标。 按照目标的捕获与跟踪过程，多波束形成应有3种工作方式：主波束控制方式（开环）、扫描方式（开环）及自跟踪方式（闭环）。 当有先验信息如根据目标的轨道方程计算出目标在空中的当前位置时，可采用开环的主波束控制方式, 由用户星的实时俯仰角和方位角，计算机算出加权系数矢量，送到多波束处理器完成波束加权合成。用户星相对中继星来说角度移动缓慢，随着用户星的移动，计算机实时逐点计算出权系数矢量，可维持主波束的开环跟踪。主波束控制方式一般用于目标的初始捕获，完成后进入自动跟踪状态。 如果没有先验信息不知道目标的起始位置，可以采用波束扫描方式，根据事先制定的空
多波束天线综述 多波束天线(MBA———Multiple Beam Antenna)由于其能够高增益地覆盖较大的地面区域而且又能根据需要调整波束形状而得到深入研究和广泛于卫星通信系统。多波束天线是能够同时产生多个子波束(点波束),从而覆盖地面上所关心的区域的天线系统,根据不同的通信需要,子波束和总波束的关系大致可分为几种情况:固定区域点波束覆盖,非固定区域点波束覆盖和赋形束覆盖。多波束天线与传统天线不同，它只在指定的区域有较高的增益值，而在其他地方增益很低，所以能减少覆盖区域外地面站对多波束系统造成的干扰，提高系统的频谱利用率和信道容量，提供有效全辐射功率和接收系统品质因素G/T值，并使卫星地面站终端设备得到简化和降低成本。另一方面，由于地球的曲率，卫星覆盖下的区域到达卫星的路径并不相等，星下点路径最短，远离星下点的区域路径较远，这就引起了远近效应的问题对于通信卫星系统而言，等通量覆盖是保证系统性能稳定的关键因素之一而这恰恰是多波束天线的优势因为多波束天线是通过几个高增益的窄波束合成一个等效的高增益宽波束，所以可以通过调整每个波束的增益大小，实现对地面的等通量覆盖。 (1)固定区域点波束覆盖： 固定区域点波束覆盖是指所有的点波束彼此独立地照射地面上不同的固定区域,总的波束则覆盖有关国家和地区,这种点波束方式往往用于同步卫星通信系统,近年来也应用于同步卫星通信系统,称为所谓“凝视天线”。这种系统,当卫星移动时,天线始终照射着某一固定区域并保持波束覆盖图不变,直到该区域边缘的仰角小于最小仰角。 (2)赋形束覆盖 赋形束覆盖是指点波束在地面上相互迭加,得到的辐射方向图形成所需要的图形─赋形束,这种方式也往往用于同步卫星通信系统.赋形束的概念在二十多年前就提出来了,其天线由反射面和单个馈元或由少量的馈元组成的馈元阵组成(后者可以看成多波束天线).任何形状的方向图都可以通过设计反射面的形状,在光学口面产生所需的振幅和相位分布来实现,而
多波束天线，能产生多个锐波束的天线。这些锐波束（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。 能产生多个锐波束的天线。这些锐波束（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。多波束天线有透镜式、反射面式和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。 多波束天线 多波束透镜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（图1a）。控制各馈源的激励振幅和相位，能使这些元波束合成为具有特定形状的成形波束。图1a还表示出用19个元波束覆盖地球的配置情况。这19个元波束可由排成六边形的19个馈源喇叭产生（图1b右下角）。对各馈源激励的控制是利用波束形成网络来实现的。图1b中是一种典型的波束形成网络，它主要由可变功率分配器和移相器组成，能向馈源阵激励所需的振幅和相位分布。由于馈源偏离透镜焦点会引起彗形像差而使旁瓣电平升高，馈源的偏焦角不能过大，但可适当组合多个喇叭的辐射来压低波束的旁瓣电平。 多波束天线 多波束反射面天线它在反射面焦点附近有多个馈源来形成多波束。为避免馈源系统对反射面口径的遮挡，通常采用偏置单（双）反射面形式。这类天线与多波束透镜天线工作情形相似，但较为轻便简单，是较常用的多波束天线形式。图2为最早用于商用通信卫星的偏置抛物面多波束天线，馈源阵由88个方形喇叭组成。辐射右旋圆极化波时，形成两个“半球波束”；同时辐射左旋圆极化波形成两个“区域波束”（图2）。这4个成形波束都工作于4吉赫频段而互不干扰，因而能增加通信容量（四重频谱复用）。 多波束相控阵天线由许多辐射元排阵构成，用波束形成网络向阵列单元激励所需的振幅和相位，以形成不同形状的成形波束。它的优点是可对波束数目和形状进行灵活控制，并可控制波束作快速扫描；但结构较复杂，造价高。 多波束天线具有以下几个特点：①元波束窄而且增益高，若用多个发射机同时向各波束馈电，可获得较远的作用距离；②合成波束能覆盖特定形状的空域；③能以组合馈源方式实
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: 0372-2112(2010)12-2904-06 D BF Multi -Beam Transmitting Phased Array Antenna on LEO Satellite GONG Wen -bin (Shanghai Enginee ring Cente r for Mic rosatellites ,Shanghai 200050,China ) Abstract : To meet the requirements of large system capacity and miniatu rized terminal of mobile satellite communication ,Muti -beam array antenna is adopted to realize the high gain and wide coverage by LEO satellite .This paper presents a planar trans -mitter array antenna with equal flux density coverage according to CDMA standard utilized by LEO satellite .The phased array an -tenna co nsists of an array antenna with 61micro -strip elements ,61RF fro nt ends ,and digital beam fo rming netwo rk (BFN ).Or -thogo nal transform and phase -amplitude adjustment are completed in digital BFN .The 61-channel IF signals outputted by digital BFN are up -converted and amplified by RF front ends ,finally transmitted by array antenna to realize the desired shaped -beam cover -age .The design methodology and measured resu lts of DBF phased array antenna is discussed in the paper .T he measu rements demonstrate that all the parameters of array antenna are consistent with the predefined requirements ,which validates the rationality of sy stem desig n and project implementation . Key words : phased array antenna ;digital beam forming ;genetic algorithm ;multi -beam 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Inmar sat -4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:2009-10-15;修回日期:2010-05-25 第12期2010年12月电 子 学 报ACTA ELECTRONICA SINICA Vol .38 No .12 Dec . 2010
本文章使用简单的术语介绍了天线的设计情况，并推荐了两款经过测试的低成本PCB天线。这些PCB天线能够与PRoC?和PSoC?系列中的低功耗蓝牙(BLE)解决方案配合使用。为了使性能最佳，PRoC BLE和PSoC4 BLE2.4GHz射频必须与其天线正确匹配。本应用笔记中最后部分介绍了如何在最终产品中调试天线。 1、简介 天线是无线系统中的关键组件，它负责发送和接收来自空中的电磁辐射。为低成本、消费广的应用设计天线，并将其集成到手提产品中是大多数原装设备制造商(OEM)正在面对的挑战。终端客户从某个RF产品(如电量有限的硬币型电池)获得的无线射程主要取决于天线的设计、塑料外壳以及良好的PCB布局。 对于芯片和电源相同但布局和天线设计实践不同的系统，它们的RF(射频)范围变化超过50%也是正常的。本应用笔记介绍了最佳实践、布局指南以及天线调试程序，并给出了使用给定电量所获取的最宽波段。
图1.典型的近距离无线系统 设计优良的天线可以扩大无线产品的工作范围。从无线模块发送的能量越大，在已给的数据包错误率(PER)以及接收器灵敏度固定的条件下，传输的距离也越大。另外，天线还有其他不太明显的优点，例如：在某个给定的范围内，设计优良的天线能够发射更多的能量，从而可以提高错误容限化(由干扰或噪声引起的)。同样，接收端良好的调试天线和Balun(平衡器)可以在极小的辐射条件下工作。 最佳天线可以降低PER，并提高通信质量。PER越低，发生重新传输的次数也越少，从而可以节省电池电量。 2、天线原理 天线一般指的是裸露在空间内的导体。该导体的长度与信号波长成特定比例或整数倍时，它可作为天线使用。因为提供给天线的电能被发射到空间内，所以该条件被称为“谐振”。 图2. 偶极天线基础 如图2所示，导体的波长为λ/2，其中λ为电信号的波长。信号发生器通过一根传输线(也称为天线馈电)在天线的中心点为其供电。按照这个长度，将在整个导线上形成电压和电流驻波，如图2所示。 输入到天线的电能被转换为电磁辐射，并以相应的频率辐射到空中。该天线由天线馈电供电，馈电的特性阻抗为50Ω，并且辐射到特性阻抗为377Ω的空间中。
多波束天线通道幅相一致性校正及实现 朱丽龚文斌杨根庆 （中科院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050） 摘要：本文针对多波束天线接收机的通道幅相一致性校正，提出了一种基于自适应算法的校正方法并在FPGA 中实现了该方法。在满足系统要求的前提下，该方法不但实现起来相对容易，而且算法的精度和动态范围也有一定的保证。仿真和试验结果表明，该方法是可行的。关键词：多波束天线，通道失衡，幅相误差，最小均方误差，校正 1．引言 随着人们对卫星通信要求的不断提高，卫星通信技术得到了很大的发展。其中，卫星多波束天线目前己成为提高卫星通信性能、降低系统成本的一项关键性技术。 多通道接收机是DBF 天线系统中信号的必经之路，正是这种多接收通道的结构，使DBF 天线系统增加了幅度和相位误差的潜在来源。与多个天线阵列相连接的多个接收机通道必须要有很高的一致性，否则通道间的失配将严重影响数字波束系统的性能。对多通道间误差的校正正是星载数字多波束天线的关键技术之一。由于目前国内对星载DBF 天线的研究还处于初级阶段，所以需要更多的借鉴智能天线、自适应天线和雷达等领域已有的研究成果。 本文主要针对基于卫星应用的两维阵列DBF 天线系统，采用目前最常用的LMS 算法设计并在FPGA 中实现了对其前端射频多通道接收机的幅相校正系统，最后给出了测试结果。测试结果表明，这种采用定点数制的LMS 算法对系统的幅相误差具有较好的校正性能。 2．数字多波束天线的幅相校正原理
数字多波束天线的组成如图1所示。前端天线阵是由多个天线单元组成两维阵列，阵元接收的信号经射频前端电路、A/ D 转换电路、数字下变频器后送入数字波束形成器处理。[2][1] 设计一个六边形排列的7单元天线阵，A/D后端的数字下变频器和波束形成器均采用FPGA 实现。天线阵接收到的信号首先通过射频通道混频后得到中频信号，再将此模拟中频信号经过ADC 后得到数字中频信号，然后送入DDC 进行下变频；下变频后，每路信号分为正交的I、Q 两路，这些正交的信号再送入波束成形器中进行波束成形，最后的输出即为合成的波束。接收通道在制造时的各种误差、电路器件的选择，A/D的量化精度、DDC 的性能、I/Q两路的正交误差等因素都会引起信号幅度和相位的变化。为了能够正确的波束成形，达到系统的精度要求，就必须要对多通道接收机进行校正，校正系统原理图如下图2 所示。
多波束形成技术研究 摘要：讨论了跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）中关于多波束形成的算法，优选的有LMS自适应方式和相位调整自适应方式；并简单介绍了波束控制和波束形成的实现。 关键词：TDRSS；多波束形成；LMS自适应算法；相位调整自适应算法 一、前言 随着航天技术的发展，要求测控通信站能高覆盖地对飞船等多个目标进行测控通信。要解决这个问题靠现有地面测控网和业务接收站已不能满足要求，需要建立天基测控通信系统，即跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)。 TDRSS把测控通信站搬移到天上同步定点轨道的中继星上，从上向下观测中低轨卫星、飞船、航天飞机等空间飞行器，从而提高了覆盖率。为了减轻中继星的复杂性和负担，将中继卫星观测到的数据和信息传到地面，由地面中心站进行处理。TDRSS中继星相控阵天线同时与多个用户航天器保持跟踪，地面站到航天器的正向通讯为时分多波束，反向通讯为码分和同时多波束。为了减轻中继星的负担，中继星上只装有形成正向天线波束扫描所需的电调移相器，由地面终端计算并发出指令，调节星上移相器相位，让天线波束以时分方式扫描对准各用户航天器，在对准期间完成正向数传。多个用户航天器送到中继星的反向数传信号在星上进行多波束形成会大大增加中继星的复杂性，反向信号经星上阵列天线接收和变换，各阵元收到的信号用频分多路方式相互隔离送往地面，由地面接收前端将频分多路还原成同频多路阵元输出，交由终端进行相控阵多波束形成处理。所谓波束形成, 就是利用开环控制或闭环自适应跟踪方法，对不同反向到达的信号用不同的权系数矢量对各阵元输出进行幅度和相位加权, 使各阵元收到的同一用户信号在合成器中得以同相相加, 输出信号最大, 干扰和噪声最小。当存在多个目标时, 地面终端利用码分多址方法和利用多个波束形成器并行地完成各目标的波束合成处理完成各用户的数传与测控。 二、多波束形成算法 数据中继卫星系统在多址方式下，服务对象一般分布在较低的地球轨道上，当用户星离地面的轨道高度在3 000 km以下时，中继星各阵元波束宽度只要26°就可覆盖地球周围的所有用户星。 当用户星以最大速度10 km/s运动,用户星穿过3.5°宽的合成波束所需的时间最短为205 s，所以中继星跟踪用户星所需的波束移动角速度是很小的。假定波束移动步进量为阵合成波束宽度3.5°的5％即0.175°，波束步进间隔时间长达10.5 s。只要计算机能在10.5 s 内依据用户星位置更新相控阵的相位加权系数，就会使合成波束移动并时刻对准目标。 按照目标的捕获与跟踪过程，多波束形成应有3种工作方式：主波束控制方式（开环）、扫描方式（开环）及自跟踪方式（闭环）。 当有先验信息如根据目标的轨道方程计算出目标在空中的当前位置时，可采用开环的主波束控制方式, 由用户星的实时俯仰角和方位角，计算机算出加权系数矢量，送到多波束处理器完成波束加权合成。用户星相对中继星来说角度移动缓慢，随着用户星的移动，计算机实时逐点计算出权系数矢量，可维持主波束的开环跟踪。主波束控制方式一般用于目标的初始捕获，完成后进入自动跟踪状态。 如果没有先验信息不知道目标的起始位置，可以采用波束扫描方式，根据事先制定的空间角度扫描轨迹图形，顺序调出各角度位置的加权矢量，形成波束的空中扫描，当波束扫到目标时，波束合成器输出最大信号并给出目标捕获指示，完成目标初始捕获，随即进入波束
第八章 口径天线的理论基础(8-1) 简述分析口径天线辐射场的基本方 法。 答：把求解口径天线在远区的电场问题分为两部分： ①. 天线的内部问题； ②. 天线的外部问题； 通过界面上的边界条件相互联系。 近似求解内部问题时，通常把条件理想化，然后把理想条件下得到的解直接地或加以修正后作为实际情况下的近似解。这样它就变成了一个与外部问题无关的独立的问题了。 外部问题的求解主要有： 辅助源法、矢量法，这两种是严格的求解方法； 等效法、惠更斯原理法、几何光学法、几何绕射法，这些都是近似方法。 (8-2) 试述几何光学的基本内容及其在口径天线设计中的应用。 答：在均匀的媒质中，几何光学假设能量沿着射线传播，而且传播的波前（等相位面）处处垂直于射线，同时假设没有射线的区域就没有能量。 在均匀媒质中，射线为直线，当在两种媒质的分界面上或不均匀媒质传播时，便发生反射和折射，而且完全服从光的反射、折射定律。 B A l nds =? 光程长度： 在任何两个给定的波前之间，沿所有射线路径的光程长度必须相等，这就是光程定律。''PdA P dA = 应用： ①. 可对一个完全聚焦的点源馈电的天线系统，求出它在给定馈源功率方向图 为P(φ,ξ)时，天线口径面上的相对功率分布。 ②. 对于完全聚焦的线源馈电抛物柱面天线系统，口径上的相对功率分布也可 用同样类似的方法求解。 (8-3) 试利用惠更斯原理推证口径天线的远区场表达式。 解：惠更斯元产生的场： (1cos )2SP j r S SP jE dE e r βθλ-?= ?+?? 222)()(z y y x x r S S SP +-+-= r , r sp >>D (最大的一边)
多点波束卫星天线 09级无线通信一班 冯贺威 20091526109 摘要：ka波段有效载荷在卫星通信的使用中越来越流行。在ka波段中较宽的波段宽度可以更好地满足不断增长的需求能力。除了使用更多的资源, 更有效地利用可用的资源将成为卫星服务成功发展的关键。现代天线的概念允许一个高频率方案的重复使用, 卫星通信中最稀有的资源的有效利用，和波段频率的加宽。在本文中,我们描述了不同类型的这种天线的设计和使用。 关键词：多点波束天线每束单馈每束多馈 1.介绍 2010年12月, 欧洲前两个ka波段多点波束卫星被发射，分别是阿凡提的Hylas-1和Eutelsat的 Ka-Sat。这两个卫星都是欧洲卫星制造商阿斯特里姆公司制造，完全运行在轨道上。虽然大多数ku波段卫星为广播提供了大范围的覆盖, 但是使用ka波段频率的快速宽带卫星服务有更多的利益。典型的应用是个人通信、高速网络、军事通信和移动通信服务。服务区域已经被多至100个区域覆盖。重叠的高增益点波束支持双向(上行和下行)使用小型终端的宽带服务。这种方法允许高度的频率的重复使用,从而导致系统容量的大量增加。覆盖在欧洲的一个多点波束卫星可以提供相同输入功率，类似天线尺寸的普通卫星的10倍容量以上。 对于拥有交叉点的多点波束卫星的创造, 天线系统是一个关键组成部分。可能有两个基本原则。每束但馈(SFB)设计使用一种饲料角为每个点。优点是硬件简单和更好的电气性能,但是孔数目的增长导致了大的费用。为了提供交叉点,在这种情况下多个反射孔是必需的，一般是四个。通常,也可以创建一个四色场景仅使用三个反射镜。另外设计使用一个超大形反射器[1],被动或主动[2][3]的镜头都是很可能的。每束多馈(“MFB)设计使用小型子数组为每个点。相邻点分享一些排列元素。在这种情况下,重叠的排列饲料被创建,它允许使用单一反射孔产生重叠点。排列的元素由形成网络的一个复杂正交波束送入。 在本文中,我们将讨论这两个方面,现在的设计和比较模拟和实测性能数据。多达100个独立重叠点的天线也需要一个新的测试理念。因此,我们也为多点波束天线提供设备和新的有效的测试方法。 2.多点波束方案 为了达到了高度的频率重复使用,目标覆盖率是不再由一个大的单光束覆盖,而是通过大量重叠高增益点波束。图1显示了一个使用四色频率复用方案来广泛覆盖欧洲的原则。这意味着使用了两个不同的低频子带和两个正交性ona极性(通常的右手和左手的循环)。不同的颜色的点有不同频率和极性。因此,在不相互干扰的情况下他们可以传递不同的信息。相同的颜色的点使用相同的频率和相同的极性,但是在在空间上他们是彼此隔绝,相邻的两个点颜色没有相同的。在这种情况下，相同颜色的点可以传递不同的信息。在大多数情况下,四色场景在系统容量和性能上是最佳方案,然而，还有其他的频率重复使用方案，例如，三色或者七色方案也可以使用。
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 : 0372-2112(2010 12-2904-06 D BF Multi -Beam Transmitting Phased Array Antenna on LEO Satellite GONG Wen -bin (Shanghai Enginee ring Cente r for Mic rosatellites , Shanghai 200050, China Abstract : To meet the requirements of large system capacity and miniatu rized terminal of mobile satellite communication , Muti -beam array antenna is adopted to realize the high gain and wide coverage by LEO satellite . This paper presents a planar trans -mitter array antenna with equal flux density coverage according to CDMA standard utilized by LEO satellite . The phased array an -tenna co nsists of an array antenna with
卫星通信新技术 在目前的通信卫星中，己开始采用许多代表当今世界通信卫星最先进的技术，如氙粒子发动机技术、高能太阳电池技术、大天线和多点波束技术以及卫星星上处理器技术等等。这些技术代表了21世纪的通信卫星技术的发展方向，这些技术的发展、移植和全面利用，将对未来的通信卫星和卫星通信产生深刻的影响。 1.氙粒子发动机技术 氙粒子发动机的出现，可以称得上卫星研制历史上一次革命性的突破。 氙粒子发动机的作用主要用于卫星的轨道位置保持和机动控制。目前，卫星采用的几种不同的发动机比冲的性能如下： ·双组元发动机（BIPROPELLENT）285秒 ·弧度喷气发动机（ARCJET）550秒 ·稳态等离子发动机（STATIONARY PLASMA）1500秒 ·氙粒子发动机（XENON ION PROPULTION） ·25厘米，160mN氙粒子发动机 3800秒（功耗4500W） ·20-30厘米，25mN氙粒子发动机 2900秒（功耗620W） 由上可以看出，采用氙粒子发动机，其比冲是通常使用的双组元发动机的12倍。比冲是推进效能的衡量指标，对于相同的卫星来说，采用氙粒子发动机只需比双组元推进系统少得多的燃料即可完成卫星的姿控与轨控。通常；一颗卫星的氙粒子发动机是由4个氙气罐（2：2备份）和2个功率处理器组成，从而完成卫星的轨道位置保持。每个氙粒子发动机每年仅消耗2.5kg燃料，因此每年卫星轨道保持仅需消耗5kg燃料。对于一颗15年寿命的卫星而言，采用氙粒子发动机将节省90％的推进剂质量，约280－350kg，因而可以大大节省卫星的发射价格，或可以用于增加更多的卫星转发器，或用来延长卫星的寿命，这将带来巨大的经济效益。 氙粒子发动机虽然功耗大，但完全不影响卫星有效载荷的工作，而且功率大，意味着氙粒子运动速度更快；因而产生更高的推力，发动机产生的比冲更大。当使用25厘米的160mN的氙粒子发动机时，每天仅工作30分钟，就可以将卫星的轨道位置保持精度提高到0.005度，从而可以有效地用于多星共位工作的卫星轨位的保持和控制。 氙粒子发动机的研制源于80年代中期，通过研究发现在所有的惰性、无活性的气体中，氙粒子可产生更大的推力，且由于其惰性特点，使得它既不易腐蚀，又安全。90年代中期，这一技术已开始用在各种不同的卫星上，如日本的ETS－3、ETS－6、COMETS卫星及XM－1、GALAXYH和PANAMSTAR等卫星，而且是经过多次飞行验证的完全成熟、可靠的卫星产品。 2.高效率太阳电池和蓄电池技术 卫星平台技术得以突飞猛进的发展，同样得益于卫星电源技术的发展。 硅太阳电池一直在卫星太阳能电池的设计和使用中占有主要地位；但随着用户对卫星使用要求的不断提高，尤其是对中、高轨道移动通信、卫星直播电视以及多频段、多功能综合卫星的要求，目前一种新的高效电池正在越来越多的卫星上投入使用。这就是砷化钾太阳电池，包括常规的砷化钾太阳电池、双节砷化钾太阳电池和多节砷化钾太阳电池。硅太阳电池的转换效率为14％，而砷化钾太阳电池、双节砷化钾太阳电池和多节砷化钾太阳电池的转换效率分别可达到18.3％、23％和30％以上。同时，在两个太阳电池翼的两边，都安装有角状太阳能反光板，从而使阳光更多地聚集在太阳电池板上，利用相同面积的太阳翼，便可得到高得多的能源功率，从而为大功率卫星平台（10000－15000瓦）的实现奠定了基础。 同时，为保证卫星在地影中的更高效的工作，一种效率高、体积小、重量轻，具有 7.2WH充电能力的锂粒子蓄电池也开始使用在卫星能源分系统上。锂粒子蓄电池与镍氢蓄电池相比，功率能力密度将提高1倍。
一、多波束、劈裂天线 3.1.应用场景 3.1.1.密集城区场景 密集城区优化问题一直是网络优化难点之一，密集城区建站难，深度覆盖不足，个人用户私装放大器，导致网络上行底噪不断抬升，通话质量不断下降。 密集城区场景主要存在以下特点： 高话务压力：密集城区存在大量移动用户，话务量高，导致基站配置不断增加，网络干扰剧增 深度覆盖不足：密集城区楼房建设密集，对无线信号的传播影响很大 基站建设困难成本高：密集城区居民对移动基站比较敏感，建站选址困难。密集城区楼房建设密集，信号传播损耗大，依靠宏站和分布系统覆盖成本高 干扰严重：载频多，无线环境复杂，内部干扰严重，而且容易对周边基站造成影响 针对不同场景问题应用多波束天线可以有效解决以上问题，以下将结合实际案例介绍多波束天线的应用。通过多波束天线优秀的覆盖特性。在覆盖上做到精细控制，减少过覆盖、多重信号重叠造成的各种优化困难。在容量上，以需求为导向，提升网络容量，解决接入困难的问题。从而提高GSM1800信号在城中村深度覆盖能力，从而实现双频网话务均衡的目标，降低城中村私装直放站对GSM900网络造成的影响，提升用户感知。 3.1.2.高话务场景 高话务场景是指在某个网络中，用户比较集中、话务水平高于其他区域的场景，例如校园、车站、机场、广场等。在这些场景中，由于用户数量庞大，周围的基站建设也比较集中。无线网络呈现强信号、强干扰、高负荷、高需求的特点。因为用户多而且相对集中，在很小的范围内需要较多的基站覆盖以保证容量，而过多的基站信号重叠会带来了干扰、频繁切换等问题，同时，控制覆盖的困难导致难以投入更多的载波资源，从而限制了网络容量，造成拥塞、接通问题。 高话务场景的优化一直是大中城市网络优化的难点，处于场景中的客户多数是网络敏感客户，对网络的轻微变化感知明显，容易造成网络投诉，这就要求高话务场景的优化要十分谨慎。另外，对高话务场景的优化要考虑到频率、小区容量、基站选址等问题，实施扩容看似简单的手段，在这种场景下受到种种限制而难以实施，或实施后产生很大的负作用。 3.2.优化目标 3.2.1.覆盖优化应用 通过更换多波束天线后，总体效果改善明显，达到预期目标，主要体现在：
16×16多波束相控阵天线的设计 目前，相控阵技术的应用在民用雷达、卫星通讯、环境与资源技术、工业无损检测以及军事等领域到了广泛的使用。随着雷达观测目标种类的增多，要求雷达测量的目标参数不断增加，并提高雷达电子对抗能力及目标识别能力，宽带相控阵雷达、有源相控阵雷达、数字相控阵雷达、多波段综合一体化相控阵雷达，成为当今相控阵技术发展的重要方向。大多数相控阵天线实现的目标都是体积小、重量轻、共形等问题。较少针对高频、大功率，尤其是多波束、多状态扫描进行讨论。本文针对这一现状提出一种相控阵天线模型，该模型利用圆极化微带天线排列成16×16的方形平面阵列，此阵列具有工作频率高，实现增益大，扫描范围广的特点。1 加权方式和相位扫描1．1 道尔夫-切比雪夫加权在相控阵天线的设计中，能降低副瓣电平的递减分布具有实际意义。然而副瓣电平和主瓣宽度是矛盾的，能在副瓣电平和主瓣宽度间进行最优折中的是道尔夫一切比雪夫分布阵。为此，充分利用切比雪夫多项式的有用特性。切比雪夫多项式是如下的二阶微分方程的解则此式的解可写成其特性表明当m是整数时，Tm(x)在|x|<1的范围内是正弦振荡函数，然后在|x|>1范围内以双曲线型上升。如果能使Tm(x)的一段和阵因子相对应，就能得到一个等副瓣的方向图。于是利用C语言编程，利用切比雪夫加权方式计算出各阵因子的电流幅度，直接加权。1．2 相位分布和波束扫描如果电流分布是可分离的，此时阵因子可表示为其中这就是说αx和αy分别为口径分布在x方向和y方向的均匀底边相位。当波束扫描进行时，方向和方向的相位差都不为零，此时在阵列法线方向各单元辐射场不再是同相叠加，而是在偏离法线某一方向θ上由于各单元的波程差引起的相位差抵消了各移相器引入的相移，各单元的辐射场变为同相叠加，因而使θ成为最大辐射方向。在编程时考虑了相位分布，使最后的参数矩阵包含相位因子，直接施之于阵列之上，完成相位的分布和波束的扫描。2 天线单元设计该阵列的天线单元采用微带结构，通过在贴片对角线E进行切角实现圆极化。采用50 Ω同轴探针进行馈电，介质板介电常数为2.1。天线结构，贴片尺寸3．1 mm×3．1 mm，对角切角为腰长0．44 mm的等腰三角形，馈电点距圆心0．69mm。，该单元工作频率31GHz，工作带宽达到6．4％。 图3是31 GHz处天线单元的二维增益方向图，由仿真计算结果可知，31 GHz处天线单元的增益约为7 dB，3 dB波束宽度为88°。31 GHz处天线单元的轴比曲线。在(-60°，60°)范围内<3 dB。 3 相控阵阵列的设计采用16×16的方形平面组阵方式，阵元间距为5．28 mm，在保证能够实现最窄波束情况下，通过控制辐射单元的馈电实现可控多种波束多状态扫描。本文利用Ansoft HFSS软件对天线阵进行仿真，采用自定义阵列模式，阵列的相位权值在几何文件中一一定义。 4 仿真结果4．1 切比雪夫加权方式加权图5为阵元达到256个的时候，阵列的单相扫描方向图。，单相扫描角可以达到40°，此时增益达到22 dB，波束宽度为9．36°，副瓣28．6 dB。 图6为双相扫描进行时的方向图。此时扫描角为36°×51°，增益基本不变，副瓣降低至40 dB以下，波束宽度达到8．5°×12．5°。 为了达到多波束扫描，得到更宽的波束，在原阵基础上，利用发射／接收组件控制阵元馈电，减少阵元，只取8×8的阵列进行馈电，间距不变，扫描结果，扫描角基本不变
多波束天线试点效果评估报告 2012年12月
目录 1．项目介绍 (3) 1．1．项目背景 (3) 1．2．试点场景 (3) 2．项目价值 (4) 3．技术方案 (4) 3．1 多波束天线 (4) 3．1．1多波束天线简介 (4) 3．1．2多波束天线性能参数 (5) 3．1．3多波束天线技术规格 (6) 3．1．4多波束天线频率规划优势 (7) 3．2试点方案 (9) 3．2．1 纺校学院概况 (9) 3．2．2 改造方案 (10) 4．效果评估 (13) 4．1 区域话务量对比 (13) 4．2 小区话务量对比 (14) 4．3 区域上下行RLC层有效流量对比 (14) 4．4 小区上下行RLC层有效流量对比 (15) 4．5 数据业务KPI指标评估 (15)
4．6 RMS测量报告评估 (16) 4．7 切换成功率 (17) 4．8 切换次数 (17) 4．9 区域路测效果对比 (18) 4．10 定点CQT测试效果对比 (19) 5 . 经济效益评估 (19) 6．总结 (20) 案例一： 1．项目介绍 1．1．项目背景 本试点方案由某运营商与广东博纬通信科技有限公司经过共同技术探讨提出，以纺校DCS基站1800小区为试点场景，对多波束天线进行各项性能及所涉及影响的无线网络指标进行验证试点。 本文档内容主要包含针对多波束天线试点实施的背景、项目价值、天线性能参数、具体实施方案、实施效果验证等。 1．2．试点场景 纺校基站属于中上等类型的高校高话务场景，无线网络呈现高配置、高负荷、高业务需求的特点，纺校DCS基站承载较高的话务负荷，频率资源紧张。 充分考虑多波束天线的特点属性，结合覆盖区域的网络现状，总体的优化策略下沉
西南交通大学2012－2013 学年第( 2 )学期期 中考试试卷 课程代码 3143373 课程名称 天线原理与设计 考试时间 90分钟 阅卷教师签字： 一． 判断题：（20分）（正确标√，错误标?，每题2分） 1． 元天线的方向性系数为1.5。（√） 2． 元天线的远区辐射场是平面波。（?） 3． 在功率方向图中，功率为主瓣最大值一半对应两点所张的 夹角就是主瓣宽度。（√ ） 4． 侧射式天线阵须满足各单元馈电幅度和相位均相等。（√ ） 5． 坡印亭矢量法可以求出天线的辐射阻抗。（? ） 6． 对称振子的平均特性阻抗愈小，其频率特性就愈好。（√ ） 7． 对称振子的谐振长度总是略大于0.25和0.5。（? ） 8． 右旋圆极化天线可以接收左旋圆极化天线发射的信号。 （? ） 9． 要使接收天线接收到的功率达到最大，需满足阻抗匹配和 班 级 学 号 姓 名 密封装订线 密封装订线 密封装订线
极化匹配。（√ ） 10．笼形天线设计增加了阻抗频带宽度。（√ ） 二． 填空题：（30分，每空2分） 1.在场强方向图中，主瓣宽度是指场强大小下降到最大值的（ 0.707 ）倍处对应的两点之间的夹角。 2. 在功率方向图中，主瓣宽度是指功率大小下降到最大值的（ 0.5 ）倍处对应的两点之间的夹角。 3. 在分贝方向图中，主瓣宽度是指场强的分贝值下降到（-3 ）dB 处对应的两点之间的夹角。 4.当2/(1.44)l λ≤时，对称阵子的最大辐射方向在0 90m θ=。 5.当2/ 1.44l λ≤时，对称阵子的最大辐射方向在 (90)m θ=。 6.半波天线的归一化方向图()cos cos 2( )sin F πθθθ ?? ???=， 方向性系数(1.64)D =，输入阻抗(73.142.5)Z j =+Ω。 7.间距为 d 的二元等幅同相(1,0)m α==阵因子 ()cos ,(2cos )a d f πθ θ?λ =。 8.间距为d 的二元等幅反相(1,)m απ==阵因子 ()cos ,(2sin )a d f πθ θ?λ =。 9. 间距为d 的均匀直线式N 元天线阵的阵因子
阵列天线波束赋形技术研究与应用 ⑧ 论文作者签名： 指导教师签名：皇直江本 论文评阅人１： 评阅人２： 评阅人３： 评阅人４： 评阅人５： 答辩委员会主席： 委员ｌ： 委员２： 委员３： 委员４： 委员５： 答辩日期：２０１４年３月９日 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的
同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位敝作者签名：惕扶％签字日期：沙、ｆ年＿；月∽学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名：伤双巧｝导师签名：重甫姐；寿 签字日期：签字日期：训ｌｆ年弓月Ｉ３日）移ｆ今年弓月ｌ驴日 致谢 时光飞逝，又到了毕业季。在浙江大学本科四年以及研究生两年半的求学生涯中，我不仅学到了专业知识，还领悟到了很多做人的道理。浙大“求是，创新”的校训一直陪伴我的成长，在我毕业之后，“求是，创新”也将一直作为我为人处事的准则。两年半的硕士研究生生活即将结束，回首过往，自己在学习、生活上都得到了很大的提升，这离不开来自家人、老师、同学及朋友的帮助。在此，衷心感谢那些帮助过我的人。 首先感谢我的导师皇甫江涛老师和冉立新老师对我学业上的帮助，感谢他们为我指点未来的科研之路，帮助我选择毕业之后出国深