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
36°×48°，增益降低，波束宽度展宽至18．7°×26．8°，副瓣升高。
为了降低副瓣，对12×12的单元进行馈电，间距仍然不变，，此时的扫描角为36°×51°，增益升高同时波束宽度达到12°× 17°，但副瓣可降至40 dB以下。4．2 与泰勒加权比较等副瓣切比雪夫阵列的辐射特性很好，但其两端单元的激励电流幅度往往比其邻单元的电流幅度大很多，这就对阵列的馈电造成困难。本文利用泰勒加权，得到方向图只有靠近主瓣的前几个副瓣的电平接近相等，随后的各副瓣电平单调递减。这里只对16×16的阵列进行加权得到扫描角39°，增益达到23．3 dB，波束宽度8．7°，副瓣20 dB，并没有降低副瓣，但是副瓣确实呈现递减趋势。
5 结束语随着相控阵天线在工程上的应用，相控阵技术成为未来电子对抗领域中主要技术发展方向，应用前景十分广阔。文中所介绍的设计思路，天线阵元结构、天线阵列结构、扫描范围波束宽度改变等技术，将会为以后的设计工作提供借鉴。
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
文章编号:1006-7043(2000)06-0051-06 智能天线综述 肖炜丹,楼 吉吉,张 曙 (哈尔滨工程大学电子工程系,黑龙江哈尔滨150001) 摘 要:智能天线技术作为ITM -2000(International Mobile Telephone -2000,2000年全球移动电话)的核心技术之一,受到国内外移动通信业的高度重视.本文对智能天线的基本概念、基本原理和国内外研究现状等进行了综合论述,并讨论了其相关技术及应用和发展前景,最后对智能天线技术研究中的难点和应注意的问题发表了看法.① 关 键 词:智能天线;软件无线电;移动通信;ITM -2000;第二代移动通信系统;第三代移动通信系统中图分类号:TN911.25 文献标识码:A Summ arization of Sm art Antennas XIAO Wei-dan ,LOU Zhe ,ZAN G Shu (Dept.of Electronic Eng.,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,China ) Abstract :Great attention is paid to the application of smart antennas by mobile communication trade both here and abroad as one of the key techniques for ITM -2000(International Mobile Telephone -2000).The paper presented basic concepts and principles of the smart antennas ,including its research situation at home and abroad ,and then discussed correlated technologies and potential applications.Finally ,the authors ’opinions were presented about the difficulties and the problems that should be considered in the research of smart antennas. K ey w ords :smart antenna ;software radio ;mobile communication ;ITM -2000;2G;3G 近年来全球通信事业飞速发展,通信业务的需求量越来越大,特别是第三代移动通信等新概念的出现,对通信技术提出了更高的要求.第三代移动通信系统的理想目标是有极大的通信容量,有极好的通信质量,有极高的频带利用率.在复杂的移动通信环境和频带资源受限的条件下达到这一目标,主要受3个因素的限制:1)多径衰落;2)时延扩展;3)多址干扰.为克服这些限制,仅仅采用目前的数字通信技术是远远不够的.近几年开始研究的移动通信的智能技术,即智能移动通信技术,包括智能天线、智能传输、智能接收和智能 化通信协议等,为克服和减轻这些限制,达到或接近第三代移动通信系统的理想目的,提供了最有力的技术支持,已成为第三代移动通信系统最重要的技术保证.而其中的智能天线技术以其独特的抗多址干扰和扩容能力,不仅是目前解决个人通信多址干扰、容量限制等问题的最有效的手段,也被公认为是未来移动通信的一种发展趋势,成为第三代移动通信系统的核心技术.为便于广大通信爱好者能够对智能天线技术有所了解,本文将从智能天线的概念、原理、相关技术及其应用做一简要介绍. ①收稿日期:2000-06-01;修订日期:2000-11-15 作者简介:肖炜丹(1975-),男,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨工程大学电子工程系硕士研究生,主要研究方向:通信与信息系统. 第21卷第6期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol.21,№.62000年12月 Journal of Harbin Engineering University Dec.,2000
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
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
MIMO 系统的波束形成技术研究及其仿真 杨尚贤1，王明皓2 （1.沈阳航空航天大学辽宁沈阳110136；2.沈阳飞机设计研究所辽宁沈阳110035） 摘要：概述了智能天线中的波束形成技术和MIMO 系统中空时分组码原理，基于传统的最小均方（LMS ）算法和MI - MO 系统中空时分组码，研究分析了两者相结合的可行性。 关键词：智能天线；LMS 算法；MIMO ；空时分组码；误码率中图分类号：TN821.91 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2012）24-0093-03 MIMO systems beamforming technology and its simulation YANG Shang -xian 1，WANG Ming -hao 2 （1.Shenyang Aerospace University ，Shenyang 110136；China ； 2.Shenyang Aircraft Design Institute ，Shenyang 110035；China ） Abstract:The overview of beamforming technology in the smart antenna and space -time block code principle in the multiple -input multiple -output （MIMO ）system ，studied and analyzed the feasibility of combination based on the traditional least mean square （LMS ）algorithm and the multiple -input multiple -output （MIMO ）system space -time block codes.Key words:smart antenna ；LMS algorithm ；MIMO ；STBC ；BER 收稿日期：2012-09-03 稿件编号：201209021 作者简介：杨尚贤（1985—），男，辽宁大石桥人，硕士研究生。研究方向：航空电子信息系统。 随着移动通信技术的快速发展，移动通信用户的数目迅速增加，有限的频谱资源难以满足日益增长的全球市场对于移动通信的巨大需求。采用多输入多输出（MIMO ）技术充分利用频域资源实现移动通信系统性能的有效提高，已经成为近些年来的研究热点[1-4]。在无线通信系统中，多径衰落和各种干扰是普遍存在的。智能天线技术能够有效地抑制多径干扰、同信道干扰、多址干扰等各类型的干扰。而空时编码技术可以在不损失带宽的情况下获得很高的编码增益和分集增益，从而实现抗多径衰落的目的。因此，如果将空时编码技术与波束形成技术相结合将会获得更好的系统性能，文中将对空时编码技术与波束形成技术相结合的可行性进行研究。 1智能天线中的自适应波束形成技术 自适应波束形成技术的基本原理，是根据一定的准则和 算法自适应地调整阵列天线阵元激励的权值，使得阵列接收信号通过加权叠加后，输出信号的质量在所采取的准则下最优。波束形成原理图，如图1所示。 经典的自适应波束形成算法有最小均方算法（LMS ）和递归最小二乘算法（RLS ），采样矩阵求逆（SMI ）算法，最小二乘横模算法（LS-CMA ），基于DOA 估计的空间线性约束最小方差算法（LCMV ）、最小方差无畸变响应（MVDR ）算法、特征子空间（ESB ）算法等，以上算法各有其优缺点[5-9]。本文将以LMS 算法为基础探讨研究波束形成技术。W （n +1）=W （n ）+12 μ[-Δ W （E {ε2（n ）}）]=W （n ）+μ[r xd -R xx W （n ）]（1） 其中，W 是加权向量，μ是常数，称为步长因子，ε（n ）是输出信号与有用信号之间的误差，r xd 是输入信号与有用信号的互相关矩阵，R xx 是输入向量自相关矩阵。 因为r xd ，R xx 都是统计量，因此实际计算需要用估计值代替，LMS 算法的原理[10]是：采用瞬时采样值进行这两项的估 计，即在第n 个快拍，r xd 和R xx 的估计值R 赞xd 和R 赞xx 为r 赞xd =d *（n ）x （n ）（2）R 赞xx =x （n ）x H （n ）（3） 于是将式（2）、（3）代入式（1）得， W （n +1）=W （n ）+μ[d *（n ）x （n ）-x （n ）x H （n ）W （n ）]=W （n ）+μx （n ）[d *（n ）-y *（n ）]=W （n ）+μx （n ）ε*（n ） （4） 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第20卷Vol.20第24期No.242012年12月Dec.2012 图 1 波束形成原理图 Fig.1 Principle diagram of beamforming
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。
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）
移动通信原理 学院：信息工程学院 班级：电子与通信工程 学号： 2111703317 姓名：蒋阿康 智能天线技术
随着移动通信的迅速发展，越来越多的业务将通过无线电波的方式来进行，有限的频谱资源面对着越来越高的容量需求的压力。对于第二代移动通信系统GSM，在我国的一些大城市已经出现了容量供应困难的现象，小区蜂窝的半径已经很小，而目前作为应用研究重点的3G以及它的业务模式无疑将对网络容量有更高的要求。高速的数据业务将作为3G网络服务的一个主要特点，这使得网络数据流量尤其是下行方向上将有明显的提高。因此，为了在3G系统中实现与第二代系统明显的差别服务，充分体现3G系统在业务能力上的优势，网络容量将是网络的运营者必须重点考虑的问题。就目前的情况而言，智能天线技术将是提高网络容量最有效的方法之一，尤其对于3G 中以自干扰为主要干扰形式的通信系统。 天线方向图的增益特性能够根据信号情况实时进行自适应变化的天线称为智能天线。与普通天线以射频部分为主不同，智能天线包括射频部分以及信号处理和控制部分。同时，由于终端在尺寸和成本上的限制，所以目前对于智能天线的研究主要集中在基站。 目前，普遍使用的是全向天线或者扇区天线，这些天线具有固定的天线方向图形式，而智能天线将具有根据信号情况实时变化的方向图特性。 图 1 如图1所示，在使用扇区天线的系统中，对于在同一扇区中的终端，基站使用相同的方向图特性进行通信，这时系统依靠频率、时间和码字的不同来避免相互间的干扰。而在使用智能天线的系统中，系统将能够以更小的刻度区别用户位置的不同，并且形成有针对性的方向图，由此最大化有用信号、最小化干扰信号，在频率、时间和码字的基础上，提高了系统从空间上区别用户的能力。这相当于在频率和时间的基础上扩展了一个新的维度，能够很大程度地提高系统的容量以及与之相关的目录。 1.智能天线技术的概念 智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。 智能天线是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(Direction of Arrival)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干
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：