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&TImes;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。
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
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
第二章相控阵天线的基础理论 相控阵天线是从阵列天线发展起来的，主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描，亦称电子扫描阵列(ESA)天线。虽然用于相控阵雷达的相控阵天线有多种，但相控阵天线均是由多个天线单元，亦称辐射器构成的。天线单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。在每个天线单元后端都设置有移相器，用来改变单元之间信号的相位关系，信号的幅度变化则通过功率分配/相加网络或者衰减器来实现。在扫描过程中，整个雷达不需要像采用普通阵列天线或者剖物面天线的雷达那样进行机械运动，因此波束指向迅速灵活，且可以实现多波束并行工作，使得雷达具有很强的自适应能力。 在相控阵天线的实际使用过程中，线性相控阵天线平面相控阵天线是较为常见的两种形式。下面分别以这两种形式为例，阐述相控阵天线扫描的基本原理。 2.1相控阵天线扫描的基本原理 2.1.1线性相控阵天线扫描的基本原理 线性相控阵天线广泛应用于一维相控扫描的相控阵雷达中。根据基本的阵列类型，线 性相控阵天线可以划分为垂射阵列和端射阵列。垂射阵列最大辐射方向垂直于阵列轴向，天线波束在线阵法线方向左右两侧进行扫描。相反，端射阵列主瓣方向沿着阵列轴向。由于垂射阵应用最为广泛，因此主要讨论垂射阵。 图2.1是一个由N个天线单元组成的线性阵列原理图，天线单元呈均匀排成一线，途中沿y轴方向按等间距方式分布，天线单元间距为d。每一个天线单元的激励电流为 I i(i =0,1,2,...N -1)。每一单元辐射的电场强度与其激励电流I i成正比。天线单元的方向 图函数用fiG,：)表示。 图2.1 N单元线性相控天线阵原理图 阵中第i个天线单元在远区产生的电场强度为： e丸E i =K i I i fip, ) (2.1) 式中，K i为第i个天线单元辐射场强的比例常数，r i为第i个天线单元至观察点的距离， f i P,)为第i个天线单元的方向图函数，h为第i个天线单元的激励电流，可以表示成为: (2.2) 式中，3i为幅度加权系数，厶B为等间距线阵中，相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值。 在线性传播媒质中，电磁场方程是线性方程，满足叠加定理的条件。因此，在远区观察点P处的总场强E可以认为是线阵中N个辐射单元在P处辐射场强之和，因此有：
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。
基于多频点多波束的相控阵雷达天线接收测量方法 摘要 相控阵雷达天线工作频点多、波束指向角度多，天线的暗室测试工作量大。传统相控阵雷达天线测试方法采用固定频点固定波束天线测试方法，测试效率低、周期长。本文提出多频点多波束的相控阵雷达天线接收测量方法可大幅度提高天线测试的速度、缩短天线测试周期。 【关键词】相控阵雷达天线测试多频点多波束 相控阵雷达天线接收测试主要进行天线的接收和通道增益、接收和通道波束宽度、接收和通道副瓣水平、接收差通道零深和接收差通道零深零位等指标的校正和测试。这些指标影响到雷达的威力范围和雷达角度探测的精度，因此进行相控阵雷达天线的校正和测试十分重要。目前，常用的相控阵雷达天线测试方法是固定波束和固定频点的暗室近场测试方法。由于相控阵雷达天线波束指向多、工作频点多，采用固定波束和固定频点的暗室近场测试方法测试工作量大、效率比较低。本文分析固定波束和固定频点的暗室近场天线接收测量方法存在的问题，提出高效的多波束和多频点的暗室近场天线接收测量方法，大幅度提高相控阵雷达天线的暗室近场测试效率。
1 传统相控阵雷达天线接收测量方法 目前，相控阵雷达天线接收测试采用单频点单波束近场反演测试方法，测试方案具体如下： 相控阵雷达天线阵的和通道和差通道按图1引出来，在雷达接收校正测试模式时，和、差通道的连接开关与雷达系统连接，开展雷达的接收校正；在雷达接收?y试模式时，和、差通道的连接开关与天线测试系统连接，开展雷达的接收暗室测试。脉冲发生器利用雷达的工作时序调节脉冲信号，作为暗室测试的数据采集同步信号。 假设相控阵雷达工作模式控制时序负脉冲信号的重频 为500Hz，脉宽80us，每个波束10个脉冲。暗室天线测试时，利用脉冲发生器把雷达系统送过来的工作模式时序负脉冲信号转换成正脉冲，展宽和延迟，作为暗室测试系统的采样同步信号。此外，传统相控阵雷达天线接收测量方法在测试前设置好固定频点和固定波束信息，如图2所示，即可进去接收校正和测试环节。 2 相控阵雷达天线单频点单波束测量数据冗余分析 相控阵雷达天线单频点单波束测量方法的天线扫描速 度0.25m/s，相控阵雷达天线阵扫描范围为5m×1m，天线测试扫描一次需要1000s。采用传统相控阵雷达天线接收测量方法进行一个频点和一个波束的天线接收测试需要花1000s 时间。由于相控阵雷达工作频点数量多、波束多，因此采用
一种双波束同步扫描相控阵天线的设计 蒋凡杰倪文俊 （中国电子科技集团公司第五十一研究所，上海201802） 摘要：本文详细介绍了一个具有双波束同步扫描功能相控阵天线的工作原理、设计方法及其实测结果，该天线为平面相控阵形式，工作频率为150～260MHz，水平极化，增益大于28dBi，同时具有方位低副瓣和俯仰余割赋形的特点。 关键词：相控阵天线，多波束，低副瓣，同步扫描，波束赋形 The Design Methods of a Dual-beam Synchro-scanning Phased Array Antenna JIANG Fan-jie,NI Wen-jun (51st Research Institute of CETC , Shanghai 201802 , China) Abstract:A dual-beam synchro-scanning phased array with the low-sidelobe feature and a cosecant shaped pattern, which works from 150MHz to 260MHz,is introduced in this paper. This planar phased array is horizontal polarized, and its gain is greater than 28dBi.The working principle and design methods are described, and a pratical measured results are presented in the end. Key words: Phased Array, Multi-beam, Low Sidelobe, Synchro- scanning, Beam Shapping 0 引言 本文介绍了一种双波束同步扫描相控阵天线的工作原理、设计方法及其实际测试结果，该天线具有两个同时波束，分别称为A波束和B波束，两波束之间的夹角为ΔθAB，两波束可以在方位±50o范围内作同步电扫描，相同扫角下不同频率的A、B波束之间的夹角保持不变，从而可以用幅度比较的方法对±50o范围内的目标实现测向接收或跟踪。该天线的主要技术指标如下： ●工作频率：150～260MHz ●极化方式：水平极化 ●天线增益：≥28dBi ●方位面：波束数量：2个 波束夹角：5° 扫描范围：±50o 副瓣电平：-20dB 波束宽度：5°～6°（中心频率） ●俯仰面：余割赋形 1 天线阵设计 根据天线工作频率和极化方式，我们选用对数周期偶极子作为天线阵的单元。根据所要求的天线增益、波束宽度和扫描范围，采用32×8共256个单元的面阵结构，水平方向单元间距d x=60cm；垂直方向相邻两列单元上下错开半个单元间距，形成三角形排列方式，垂直方向单元间距d y=150cm，天线阵面总尺寸约为19.2m×12m。 由于天线阵面很大，为便于安装，在结构上将整个阵面分为16个框架，每个框架内包含16个天线单元以及射频和供电接口，阵面中央装有一个多波束机箱，用于形成所需的双波束，并具有波束扫描控制功能。 实际完成的天线阵照片如图1所示。 图1 天线阵面（阵面正中心为多波束机箱）
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
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
相控阵天线的基本原理介绍 相控阵天线是目前卫星移动通信系统中最重要的一种天线形式，由三个部分组成：天线阵、馈电网络和波束控制器。基本原理是微处理器接收到包含通信方向的控制信息后，根据控制软件提供的算法计算出各个移相器的相移量，然后通过天线控制器来控制馈电网络完成移相过程。由于移相能够补偿同一信号到达各个不同阵元而产生的时间差，所以此时天线阵的输出同相叠加达到最大。一旦信号方向发生变化，只要通过调整移相器的相移量就可使天线阵波束的最大指向做相应的变化，从而实现波束扫描和跟踪。相控阵天线有相控扫描线天线阵和平面相控阵天线。图一 图一 N单元相阵 远区观察点P处的总场强可以是认为线阵中N个单元在P点产生的辐 射场强叠加：
图二线性相控阵天线 这一天线阵的方向图函数为： 图三平面相控阵天线 相控阵在快速跟踪雷达、测相等领域得到广泛的应用，它可以使主瓣指向随着通信的需要而不断地调整。相控阵为主瓣最大值方向或方向图形主要由单位激励电流的相对来控制天线阵。通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位改变方向图形状的天线。控制相位可以改变
天线方向图最大值的指向，以达到波速扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状。用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢，相控阵天线克服了这已缺点，波速的扫描高。它的馈电相一般用电子计算机控制，相位变化速度快，即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大特点。 一般相控阵天线应对每一辐射单元的相位进行控制。为了节省移相器和简化控制线路，有时几个辐射单元共用一个移相器。相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元。移相器分连续式移相器和数字式移相器两种。连续式移相器的移相值可在0°～360°范围内连续变化，数字式移相器的移相值是离散的，只能是360×(1/2)^n的整数倍，移相器应保证在一定的频率范围内获得所需要的移相值。天线辐射单元的设计应使一定移相范围内和一定频率范围内的输入阻抗的变化尽可能小，以保证发射机正常工作，防止由于射频信号的多次反射而出现寄生副瓣和方向图中出现凹点的现象。相控阵天线的馈电方式分传输线馈电和空间馈电两种。在传输线馈电方式下，射频能量通过波导、同轴线和微带线等微波传输线馈给辐射单元。在空间馈电方式下，发射机产生的射频能量通过辐射装置辐射至自由空间，传输一段距离后由一个接收阵接收，接收阵的每个单元或一组单元所接收到的信号，经过移相器移相后再馈给发射阵的发射单元并辐射出去。 相控阵天线阵列本身的设计主要是幅度、相位分布设计和单元阻
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
浅述相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务 摘要现阶段我国科学技术发展速度的不断加快，为天线波束研究水平的逐渐提升提供了重要的技术支持。实践过程中为了实现天线波束的定向控制，需要充分地发挥出相控阵天线波束控制优势，并了解其基本原理及波控系统的任务，优化该系统实践应用中的服务功能。基于此，本文就相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务展开论述。 关键词相控阵天线波束；控制；基本原理；波控系统；任务 结合当前的形势变化，注重相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务分析，有利于提升天线波束实践应用中的控制水平，最大限度地满足雷达扫描的实际需求，从而为雷达扫描技术所需的波控系统性能优化提供科学保障。因此，需要加强天线波束控制的基本原理分析，提高对其相关的波控系统任务的正确认识，使得天线波束应用成本得以降低。 1 相控阵天线波束控制的基本原理分析 实践过程中结合相控阵雷达的要求，注重天线波束控制方式的合理使用，有利于保持良好的雷达扫描效果，丰富其所需的扫描技术内涵。因此，需要根据实际情况，从不同的方面入手，加强相控阵天线波束控制的基本原理分析，从而为其使用中实际作用的充分发挥提供保障。具体表现在以下方面： 借助计算机网络与信息技术的优势，结合相控阵天线波束的功能特性，在其控制作用发挥中需要确定相应的空间位置，并了解其跟踪情况，最终通过计算机三维空间的动态模拟分析作用，得到所需的相控阵天线波束在雷达扫描控制中的方位角与仰角初始值，并对相控阵雷达阵面中的天线元对应的相位值进行分析。此时，为了达到移相的目的，需要注重性能可靠的移相器使用，并处理好波控系统运行中产生的波控码。当这些举措实施到位后，有利于实现相控阵天线定向，确定相应的波束方向。 （2）在确定天线元所对应的相位值过程中，需要在单元集中配相法與初始向量计算方式的共同作用下予以应对，且在行列分离方法的作用下，确定相控阵天线波束控制中所需的平面阵列。当天线元所对应的相位值确定后，则可通过计算机系统的作用，得到相应的点阵相位值。 基于相控阵天线波束控制下的雷达扫描，在保持其良好的移相器计算位数作用效果过程中，可借助虚算方式的优势，确定移相位数，确保移相器应用有效性[1]。 2 实践中的相控阵天线波控系统的设计分析 为了实现对雷达扫描过程的科学控制，保持其扫描技术良好的应用效果，则
微带多波束相控阵天线故障诊断专家系统研究 俞隽杨诠让 （东南大学毫米波国家重点实验室南京２１００９６） ｌ耍，本文为一椭圆切割的微带多波束相控阵天线故障诊断专家系统，同时对多波束相控阵与单波束相控阵故障诊断专家系统进行了比较。结果表明：多波束相控阵故障诊断专家系统的性能增强，准确率提高。 关■阔：徽带天线．专家系统，多波束相控阵 １引言 自七十年代咀来．随着微波集成技术的进步．微带阵列天线得到迅速发展，并广泛应用于雷达和卫星通信中。徽带相控阵天线已经成为全固态有源相控阵雷达的重要部件之一．为了便于对天线阵进行维护．相控阵天线需要一套监测系统。本文就是在单波束相控天线阵故障诊断专家系统的基础上针对一个８０×１２椭圆形状切割的辙带多波束相控阵天线设计的故障诊断专家系统．相控天线阵监测系统根据测试方法的不同．可以分为“内监测”和“外监测”两种。“内监测”的测试精度高，但设备复杂。本文采用外监测方法．只需根据相控阵天线的外场信号就可以进行故障诊断，不需分别对每个单元的幅相进行监测．从而可以大大减少监测系统的设备。由于引入了多波束体制，专家系统知识库质量更高，专家系统故障诊断系统的性能也更好． ２微带天线阵故障诊断专家系统构成 专家系统一般由知识库和推理机等部分组成（图Ｉ）。知识库存放故障诊断信息．推理机则根据故障诊断知识库和测试数据进行故障诊断，给出故障信息。 知推?一天线监视系统Ｉ 识理 库机————叫系统维护人员Ｉ 图１（专家系统的基本结构） １．知识库的建立 进行故障诊断之前，首先必须建立专家系统知识库．即找到天线阵单元发生故障时变化敏感的变量作为特征值建立故障诊断信息库。当微带相控阵天线的某些单元出现故障时ｔ其Ｅ面和Ｈ面的方向图会发生变化；方向图的主瓣变化较小．副瓣的幅度和相位变化较大。因此? 本专家系统选择天线阵Ｅ面和Ｈ面方向图左右各２个副瓣的幅度和相位共１６个变量作为特征值建立专家系统知识库。为保证知识库的质量，本文在计算天线阵场方向图过程中通过谱域矩量法计算整个微带天线阵的阻抗矩阵，充分考虑了天线阵列各个单元之间的互耦效应ｔ减少了误差。 １２ｌ
相控阵天线方向推导及仿真 1、推导线阵天线方向图公式 一个接收线阵，由等间距为d 的N 个各向同性单元组成，那么在θ方向，相 邻单元接收信号的相位差为Ф=2πd λsinθ，线阵排列情况如图1所示。 图1 线阵排列示意图 因为天线辐射方向图可以由天线上各种各样电流源辐射的单独贡献进行矢 量叠加而得出，故各单元电压和为： E a =sin (ωt )+sin (ωt +?)+sin (ωt +2?)+?+sin?[ωt +(N ?1)?] 将等式两边同时乘以2sin?(? 2)，根据积化和差、和差化积等相关数学公式，可得到如下公式： 2sin (?2)E a =cos (ωt ??2)?cos (ωt +?2)+cos (ωt +?2)?cos (ωt ?32 ?) +?+cos (ωt +2N ?32?)?cos?(ωt +2N ?1 2?) 整理得，2sin (? 2)E a =cos (ωt ?? 2)?cos (ωt + 2N?12 ?) ??=2sin?(ωt + N ?12?)sin?(N 2 ?) 最终得到场强方向图，E a =sin?[ωt +(N ?1)?2?]sin?(N?2?) sin?(?2?) 平方归一化后，得到辐射方向图（阵列因子）： |G a (θ)|=sin 2[Nπ(d λ)sinθ] N 2sin 2[π(d λ )sinθ]
上式中，当(d λ)sinθ=0,±1,±2,···±n 时|G a (θ)|取得相等的最大值，但是我们 只期望看到(d λ)sinθ=0的情况，取其他值产生的栅瓣是我们所不想见到的，为避免这种情况，特令d <λ。 前面的公式中认定主瓣指向为0°，当主瓣指向θ0方向时，则各向同性单元 线阵的归一化辐射方向图为： G (θ)=sin 2[Nπ(d λ)(sinθ?sinθ0)] N 2sin 2[π(d λ )(sinθ?sinθ0)] 此时，由于?2≤sin (θ)?sin (θ0)≤2，故防止产生栅瓣的条件为d <λ2?。 当来波方向与主瓣指向相近时sinθ?sinθ0很小，有： sin 2[π(d λ)(sinθ?sinθ0)]≈[π(d λ )(sinθ?sinθ0)]2 这时的辐射方向图是sin 2μμ2?的形式，式中μ=(d λ)(sinθ?sinθ0)，当μ=±0.443π时，天线方向图被衰减到最大值的一半，又因为sinθ?sinθ0项可以写成 sinθ?sinθ0=sin (θ?θ0)cos (θ0)?[1?cos (θ?θ0)]sin (θ?θ0) 当θ0很小时，方程右边第二项可以忽略，所以sinθ?sinθ0≈sin (θ? θ0)cos (θ0)。最终我们可以得到天线的半功率波束宽度为θB ≈0.886λ Ndcosθ0 （rad ）。 2、电子扫描阵列天线方向图仿真 ·1、不同参数情况下的栅瓣现象及分析 由前面的分析可知，归一化后的天线方向图可以表示为： G a (θ)= sin 2(Nπd λ (sin θ?sin θ0)) N 2sin 2(πd λ (sin θ?sin θ0)) 其中d 表示天线长度， N 表示天线阵元个数，λ表示信号波长。 当πd λ(sin θ?sin θ0)=0,±1,±2,?,±n,???n ≥1,n ∈Z 时，G a (θ)的分子、分母均为0，由洛毕达法则可知，当sin θ?sin θ0=±n λ d 时，G a (θ)取最大值1，其中sin θ?sin θ0=0，即θ=θ0时，是主瓣，sin θ?sin θ0=±n λ d 的解对应的是
第二章 相控阵天线的基础理论 相控阵天线是从阵列天线发展起来的，主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描，亦称电子扫描阵列（ESA ）天线。虽然用于相控阵雷达的相控阵天线有多种，但相控阵天线均是由多个天线单元，亦称辐射器构成的。天线单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。在每个天线单元后端都设置有移相器，用来改变单元之间信号的相位关系，信号的幅度变化则通过功率分配/相加网络或者衰减器来实现。在扫描过程中，整个雷达不需要像采用普通阵列天线或者剖物面天线的雷达那样进行机械运动，因此波束指向迅速灵活，且可以实现多波束并行工作，使得雷达具有很强的自适应能力。 在相控阵天线的实际使用过程中，线性相控阵天线平面相控阵天线是较为常见的两种形式。下面分别以这两种形式为例，阐述相控阵天线扫描的基本原理。 2.1 相控阵天线扫描的基本原理 2.1.1 线性相控阵天线扫描的基本原理 线性相控阵天线广泛应用于一维相控扫描的相控阵雷达中。根据基本的阵列类型，线性相控阵天线可以划分为垂射阵列和端射阵列。垂射阵列最大辐射方向垂直于阵列轴向，天线波束在线阵法线方向左右两侧进行扫描。相反，端射阵列主瓣方向沿着阵列轴向。由于垂射阵应用最为广泛，因此主要讨论垂射阵。 图是一个由N 个天线单元组成的线性阵列原理图，天线单元呈均匀排成一线，途中沿y 轴方向按等间距方式分布，天线单元间距为d 。每一个天线单元的激励电流为(i 0,1,2,...N 1)i I =-。每一单元辐射的电场强度与其激励电流i I 成正比。天线单元的方向图函数用(,)i f θ?表示。 图 N 单元线性相控天线阵原理图 阵中第i 个天线单元在远区产生的电场强度为： 2(,)i j r i i i i i e E K I f r π λθ?-= 式中，i K 为第i 个天线单元辐射场强的比例常数，i r 为第i 个天线单元至观察点的距离，(,)i f θ?为第i 个天线单元的方向图函数，i I 为第i 个天线单元的激励电流，可以表示成为： B ji i i I a e φ-?= 式中，i a 为幅度加权系数，B φ?为等间距线阵中，相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值。 在线性传播媒质中，电磁场方程是线性方程，满足叠加定理的条件。因此，在远区观察点P 处的总场强E 可以认为是线阵中N 个辐射单元在P 处辐射场强之和，因此有：