卫星通信多波束天线综述

5G通信系统中的大规模多天线技术综述随着科技的不断进步和社会的快速发展，人们对通信速度和质量的需求也越来越高。

为了满足这一需求，5G通信系统应运而生。

5G通信系统作为下一代移动通信技术，具有更高的速度、更低的延迟和更大的容量。

在5G通信系统中，大规模多天线技术被广泛应用，为用户提供了更好的通信体验。

大规模多天线技术是指在基站和用户设备之间增加大量的天线，以提高通信的效果。

传统的通信系统中，基站和用户设备之间通常只有一根天线，而在5G通信系统中，基站和用户设备之间可以有多根天线。

这样一来，基站和用户设备之间的通信信号可以通过多个天线进行传输，从而提高了通信的可靠性和速度。

大规模多天线技术的应用使得5G通信系统具有了更强的抗干扰能力。

在传统的通信系统中，由于信号传输距离较远，信号很容易受到干扰，导致通信质量下降。

而在5G通信系统中，由于基站和用户设备之间的距离较近，信号受到的干扰较小，从而提高了通信质量。

此外，大规模多天线技术还可以通过对信号进行波束赋形，将信号集中发送到用户设备，从而进一步提高通信质量。

大规模多天线技术的应用还可以提高通信的覆盖范围。

在传统的通信系统中，由于信号传输距离较远，通信的覆盖范围有限。

而在5G通信系统中，由于基站和用户设备之间的距离较近，通信的覆盖范围可以得到有效扩大。

这一点对于农村地区和偏远地区的通信覆盖非常重要，可以帮助解决数字鸿沟问题。

除了提高通信的可靠性和覆盖范围，大规模多天线技术还可以提高通信的速度。

在传统的通信系统中，由于信号传输距离较远，通信的速度较慢。

而在5G通信系统中，由于基站和用户设备之间的距离较近，通信的速度可以得到有效提升。

这对于大规模数据传输、高清视频播放和云计算等应用非常重要。

然而，大规模多天线技术的应用也面临一些挑战。

首先，由于大规模多天线技术需要增加大量的天线，这就需要更多的空间和能源。

其次，由于大规模多天线技术需要对信号进行波束赋形，这就需要更复杂的信号处理算法和更高的计算能力。

管理观察GUANLIGUANCHA32随着科技与经济的不断发展和进步，卫星通信作为新兴产业得到了迅猛发展，与此同时，该项技术对于社会的发展产生了深远的影响。

卫星通信技术始于六十年代，而个人移动通信在九十年代得到应用，给卫星通信的发展开拓了新的领域。

卫星通信的关键技术在于天线技术的应用。

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。

以下是几个卫星通信系统的星载多波束天线：表1.几个卫星通信系统的星载多波束天线一、多波束天线的子波束与总波束之间的关系多波束天线所具有的特点是能够产生多个子波束，总波束与子波束可以按照不同种类的通信需要，分为以下几种情况，即：固定区域的点波束覆盖、非固定区域点波束覆盖以及赋形波束覆盖。

（一）固定区域的点波束覆盖固定区域的点波束覆盖是指彼此独立的点波束照射在不同地面的上的固定区域。

但是，对于某些国家和地区，则需要进行总的波束进行覆盖。

该方式的点波束与卫星通信系统保持同步，然而，随着科技的不断进步，凝视天线(staring antenna)也得到了广泛的应用，该天线的特点是能够实现与卫星非同步的一套系统。

（二）非固定区域的点波束覆盖非固定区域的点波束覆盖所具有的特点是，在3d B 的地方点波束能够彼此相互连接，在一定面积的区域范围内总波束覆盖，而卫星的运动决定着覆盖区域的位置。

这种方式在非同步卫星通信系统中得以广泛的应用，具有该特点的卫星通信系统，由于地面终端本身的运动以及卫星的运动，当一个点波束变动到下一个点波束的时候，通信因为采用了波束切换技术，因而不会受到影响。

（三）赋形波束覆盖赋形波束覆盖的特点是实现点波束在地面的相互迭加。

这种方式主要应用于同步卫星通信系统，赋形波束天线辐射方向所形成的图形与所需要的图形赋形束保持一致。

在二十年前，科学家就提出了赋形波束的概念，并提出天线的组成主要是由单个馈源和反射面或者由少数的馈源阵组合而成的。

通过设计反射面所具有的形状以及能够在光学口面所生成需要的相位分布以及振幅实现任意一种形状的方向图。

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。

通信卫星区域覆盖多波束天线设计与多频带终端印刷天线研究通信卫星区域覆盖多波束天线设计与多频带终端印刷天线研究随着通信技术的不断进步与发展，通信卫星的应用正成为现代通信网络中不可或缺的一部分。

通信卫星的设计中，区域覆盖是一个关键的问题，而多波束天线的设计和多频带终端印刷天线研究则是解决这一问题的有效途径。

传统的通信卫星通常只使用单一波束天线对特定区域进行覆盖，但这种方式效率低下且覆盖范围有限。

多波束天线设计则是一种新的方案，通过将天线分割成多个小波束，每个小波束负责覆盖特定的区域，从而实现更广泛的区域覆盖。

通过合理的设计，多波束天线还可以实现更高的传输速率和更低的通信时延，从而提升通信质量。

多波束天线设计中的关键问题之一是天线元件的选择和布局。

常用的天线元件有开槽天线、微带天线和天线阵列等。

这些天线元件具有各自的特点和适用范围，根据通信卫星的具体要求和设计目标选择合适的天线元件至关重要。

此外，天线的布局也需要考虑到覆盖范围、天线间的干扰、通信质量等多个因素，以确保多波束天线的稳定性和可靠性。

多频带终端印刷天线是在终端设备端进行的一项关键研究。

由于通信卫星覆盖范围广泛，不同地区和不同应用场景有不同的通信需求，因此终端设备需要具备多频带的能力。

印刷天线技术可以实现在较小的空间内实现多频带的需求，其特点是结构简单、制造成本低、维护方便等。

通过对材料、布局和尺寸等方面进行优化，可以提高天线在不同频段下的性能，从而满足多频带终端设备的通信需求。

通信卫星区域覆盖多波束天线设计与多频带终端印刷天线研究的发展不仅仅是为了提高通信网络的传输速率和通信质量，还可以满足不同地区和不同应用场景的通信需求。

例如，在应急通信中，通信卫星通过多波束天线可以实现尽可能广泛的覆盖范围，从而提供更及时、高效的通信服务。

在移动通信中，多频带终端印刷天线可以实现多频段的切换，从而在不同环境下保持良好的通信质量。

总之，通信卫星区域覆盖多波束天线设计与多频带终端印刷天线研究是通信技术领域的重要课题。

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。

多波束天线的关键技术研究多波束天线是一种先进的通信技术，可以实现在同一时间、同一频段传输多个不同方向的信号。

它在无线通信、雷达、卫星通信等领域有着广泛的应用。

本文将重点研究多波束天线的关键技术，包括天线设计、波束形成算法、多波束信号处理等方面。

多波束天线的首要问题是天线设计。

由于需要同时放射和接收多个波束，传统的单波束天线显然不适用。

因此，设计出具有多个辐射元件或阵元的天线是关键。

通常，多波束天线采用线性阵列或蜂窝状阵列的结构，每个阵元可以独立调节辐射方向和辐射功率。

同时，还需要考虑天线的频率响应、增益、方向性、抗干扰能力等指标的综合优化。

在天线设计的基础上，需要开发有效的波束形成算法。

波束形成是将天线阵列的辐射功率尽可能聚焦到感兴趣的区域，从而提高信号的接收和发送效率。

常见的波束形成算法有波束赋形、最大似然波束形成、Min-Norm波束形成等。

这些算法基于阵列几何和信号模型，利用信号处理方法进行波束权值计算，最终实现波束的形成与控制。

多波束信号处理也是多波束天线的关键技术之一。

在接收端，由于同时接收多个波束信号，需要进行信号的分离和解调。

常用的信号分离方法包括空间滤波、信号特征提取、自适应干扰抑制等。

这些方法通过利用波束形成得到的权值矩阵，将目标信号从干扰信号中分离出来。

同时，在发送端也需要对不同波束进行动态调度和编码，以实现对多用户的分时、分频资源的分配。

此外，多波束天线的关键技术还包括射频芯片设计、天线校准与自适应、多波束天线系统集成等方面。

射频芯片设计是多波束天线的基础，需要满足天线的高频率、宽带、低功耗等要求；天线校准与自适应技术可以提高系统的稳定性和抗干扰能力；多波束天线系统集成包括硬件设计、软件开发和验证测试等环节，是实现系统全面性能的保证。

综上所述，多波束天线的关键技术涉及到天线设计、波束形成算法、多波束信号处理、射频芯片设计、天线校准与自适应、多波束天线系统集成等方面。

这些技术的研究和发展将推动无线通信技术的进步，为人们提供更高质量、更可靠的通信服务。

5G通信系统中的大规模多天线技术综述随着科技的不断进步，5G通信系统已经成为人们生活中不可或缺的一部分。

作为下一代移动通信技术，5G通信系统具有更高的速度、更低的延迟和更大的容量，为人们带来了前所未有的通信体验。

而在5G通信系统中，大规模多天线技术被认为是实现高速、高容量通信的关键。

大规模多天线技术是指在通信系统中同时使用多个天线来进行数据传输和接收的技术。

与传统的通信系统相比，大规模多天线技术具有更高的信号传输速度和更好的信号覆盖范围。

这是因为大规模多天线技术可以通过利用多个天线的并行传输和接收能力，提高信号的传输效率和抗干扰能力。

在5G通信系统中，大规模多天线技术被广泛应用于基站和移动设备中。

在基站中，大规模多天线技术可以提供更好的覆盖范围和信号质量，使得用户可以在更远的距离和更复杂的环境下获得更快的速度和更稳定的连接。

同时，大规模多天线技术还可以实现波束赋形技术，通过调整天线的辐射方向，将信号集中在特定的区域，提高信号的传输速率和可靠性。

在移动设备中，大规模多天线技术可以提供更好的信号接收能力和抗干扰能力。

通过使用多个天线接收信号，移动设备可以在复杂的信道环境中准确地接收到信号，并降低信号传输过程中的误码率。

此外，大规模多天线技术还可以实现空间复用技术，通过将不同的数据流分配给不同的天线，提高系统的容量和频谱效率。

在大规模多天线技术的应用中，还存在一些挑战和问题需要解决。

首先，大规模多天线技术需要更多的天线和更复杂的硬件设计，增加了系统的成本和复杂度。

其次，大规模多天线技术需要更多的信号处理和算法设计，增加了系统的计算复杂度和能耗。

此外，大规模多天线技术还面临着信号干扰和天线之间的互相干扰等问题，需要通过合理的设计和优化来解决。

为了克服这些挑战，研究人员提出了许多解决方案和技术。

例如，利用智能天线阵列和自适应波束赋形技术，可以实现更精确的信号传输和接收，提高系统的性能和容量。

同时，通过优化信号处理算法和设计高效的硬件架构，可以降低系统的成本和能耗。

卫星通信多波束天线综述周乐柱1,李 斗1,郭文嘉2(11北京大学电子学系,北京100871;21北京卫星信息工程研究所,北京100080)摘 要: 多波束天线广泛应用于各种卫星通信系统,本文综述卫星通信多波束天线的有关问题,比较了各种方案的优缺点,指出了有待研究的有关课题.关键词: 卫星通信,多波束天线,点波束覆盖中图分类号: TN82 文献标识码: A 文章编号: 0372-2112(2001)06-0824-05Revie w of Multiple -Beam An tennas for Satellite Communica tionsZHOU Le -zhu 1,LI Dou 1,GUO Wen -jia 2(11De pt.o f Ele ctronic s ,Pe king U nive rsity ,Be ijing 100871,China;21Institute o f Bei jing Sate llite Information Engineering,Be ijing 100080,China )Abstract: Multiple -beam antennas have found wide use in a variety of applications involving satellite communications.In this paper a sum mary of several structure schemes of mul tiple -beam antennas for satellite communications is presented,and a comparison about their advantages and d rawbacks are also made.Some topics to be further researched are pointed out.Key words: satellite communications;multiple beam antennas;spot beam coverage1 引言卫星通信技术始于六十年代,七十,八十年代得到蓬勃发展,九十年代,个人移动通信的应用又给卫星通信的发展注入了新的动力.天线技术是卫星通信的关键技术.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应用[1~12],表1给出了几个卫星通信系统的星载多波束天线.表1 几个卫星通信系统的星载多波束天线Globalstar IRIDIUM Odyssey MAGSS -14轨道高度(km)1,40178510,35410,355天线类型直接辐射相控阵直接辐射相控阵反射面式直接辐射相控阵点波束数163@16上行37,下行3237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.(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,近年来也应用于非同步卫星通信系统,称为所谓/凝视天线(staring antenna)0图1 SPACEWAY T M 系统覆盖亚太地区的多点波束分布图[7]系统.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.图1给出了美国Hughes 公司的SPACEWAY TM 系统中覆盖亚太地区的两颗通信卫星的天线的多点波束分布图[7].(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[8],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,而收稿日期:2000-04-24;修回日期:2001-02-22基金项目:国家863计划项目(863-317-03-06-99),国防科工委卫星应用技术重点项目(T97#04)第6期2001年6月电 子 学 报ACTA ELECTRONICA SINICA Vol.29 No.6June 2001图2 采用口面综合设计的赋形反射面天线覆盖美国大陆的方向图[6]图3 卫星通信天线系统Ku 波段覆盖日本全境的赋形方向图[11]反射面的形状的设计,可用几何光学或物理光学方法[9,10].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].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[11~13].图3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[11].它采用偏置Gregorian 反射面系统以消除交叉极化,调整7个喇叭馈源的激励实现所需的方向图.(3)非固定区域点波束覆盖图4 37个点波束覆盖的示意图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MB A.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MB A 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.本文简要论述几种MBA 的结构,特点及有待研究的有关课题.全文分为四节,本节为引言,第二节介绍反射式MB A 和透射式MB A ,第三节介绍相控阵MBA,第四节指出了有待研究的有关课题.2 反射式MBA 和透射式MBA反射式MB A 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(B FN)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.211 单口面设计和多口面设计MB A 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.近年来,已有不少作者对单口面设计和多单口面设计进行了比较研究[14~16].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[14].P.O.Iversen,L.J.Ricardi 和W.P.Faus t 比较了四透镜四喇叭MB A 和单透镜多喇叭MBA 的性能[15].他们的理论分析表明,四透镜四喇叭MBA 的增益比单透镜单喇叭MBA 和单透镜三喇叭MBA 的增益分别增加了214dB 和018dB,但比单透镜七喇叭MBA 的增益仅增加013dB.S.D.Gray 比较了单口面825第 6 期周乐柱:卫星通信多波束天线综述MBA 和多口面MBA 的成束和消束性能(Nulling performance )[16].模拟计算表明,在这方面多口面MBA 要比单口面MBA 优越得多.例如,在有用信号的精确到达方向(DOA)未知的普遍情形下,四透镜六十一喇叭MBA 在小于015b 方位角或仰角范围内能有效地消除干扰信号,而相同馈源数的单透镜MBA 则需要2144b.图5 产生19个点波束的示意图:(a )单面口设计,(b)三口面设计,(c )四口面设计研究表明,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.多口面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,Ñ、Ò、Ó和Ô分别代表使用不同频率的小区,频率复用率分别为3、和4.212 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MB A 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.图6 产生多波束的两种方法: (a)基本成束法, (b)增强型成束方法图7 直接辐射相控阵MBA: (a)、(b)瓦式结构,(c)砖式结构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MB A 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.213 反射式设计和透射式设计MB A 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M B A 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MB A ,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MB A ,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.1995年,加拿大国防部资助研制的一个工作于45GHz 的军事卫星通信系统[14],采用121个Potter 圆喇叭组成的馈源阵,利用单个偏置抛物面反射镜,形成70个点波束,覆盖地面8度直径的圆形区域.每个点波束中心峰值增益为4318dBi,半功率宽度为1度,旁瓣电平小于-30dB,交叉极化好于-26dB.214 M BA 的设计MB A 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M B A 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 (b ).而单反射面多喇叭MB A 的喇叭总数N (也即点波束数)则决定于所覆盖的面积A (b )及口面直径与波长比(D /K ),文献[17]给出了一个计算公式:N U A 2/[2746(K /D )2]826 电 子 学 报2001年对单抛物面反射式MBA,口面直径与波长比(D /K )又依赖于半功率宽度(o (b )和峰值旁瓣水平S L (-dB).文献[19]给出了一个计算公式:D U (3312-1155S L )K /(o通过这两个关系式,可以确定任意两个量,例如给定A (b )、S L (-dB)和(o (b ),可确定N 和D.焦距F 通常选择为口径D 的018~117倍,较大的F/D 值使M B A 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.在多口面反射式MBA 的设计方面,文献[24]给出了一种快速、精确的设计方法.它通过对高斯束天线方向图的近似,导出了一系列性能估算和设计公式,使原来需要几周时间的计算机设计过程变为几十分钟的计算器设计过程,设计结果与用严格方法得到的结果符合很好;设计和分析方法还可应用于透射式MBA 及赋形束天线.3 直接辐射相控阵MBA直接辐射相控阵天线应用于M B A 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 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.图8 采用微带-缝偶合圆贴片 图9 双频微带天线示意图作辐射元的瓦式MBA有两种基本形式的相控阵MBA [20~22].一种是单片法(monoli thic 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MM IC 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[20].用这样的16个辐射元组成的相控子阵,工作在2916GHz,大小为312@312@0175cm 3,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N 2倍数增加.相控阵MB A 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1125K ,发射(S 波段)元间距为111K [23].4 有意义的研究课题多波束天线已有二十多年的历史,已经得到广泛应用和研究,但仍有不少问题需要解决,存在一些有意义的研究课题.411 有关天线反射面的研究众所周知,对标准的旋转反射面或柱形反射面,只要馈源处于曲面的焦点(对旋转曲面和点源)或焦线(对柱形曲面和线源)上,其波束经反射面反射后就会在反射面的口面上形成平面波.现在MBA 的馈源一般不再是点馈源或线馈源,而是二维的面馈源,而且尺寸较大,有的甚至可以和反射面同一数量级.在这种情形下,如何设计反射面的形状,如何修正二维面源的影响来实现理想的波束,是一个重要的理论和实际课题.412 有关天线馈源的研究传统的馈源是喇叭馈源,包括多模喇叭和波纹喇叭[14].近年来,微带平面天线的研究十分活跃,它具有体积小,重量轻,馈电方便等优点,应用它来发射和接受单波束的天线系统已经用于移动卫星通信和直接接收卫星电视[15~20].但是把它作为多波束天线的初级辐射器的研究仍是一个十分重要而尚待解决的课题.413 有关天线波束成型馈电网络(BF N)和相位振幅控制器的研究对先进的增强型波束成形方法,一个波束实际上是多个初级辐射器元产生的分波束的迭加,通过分别地,独立地调整这些初级辐射器元的振幅和相位[21]或者仅仅调整其相位[22],就可以实现所需要的波形.因而如何实现振幅相位的控制和异幅异相的分配,也是M B A 的一个关键课题.414 相控阵MBA 的研究利用相控阵技术、数字信号处理技术和电控有源元件实现波束指向控制和波束赋形是非同步轨道卫星实现固定区域点波束覆盖的重要课题[26,27].415 地面段MBA 的研究本文主要论述星上MBA 的有关问题.实际上MB A 也可应用于地面段,如车载式高增益天线或多波束基站天线,它可以改善捕捉和跟踪卫星信号的性能,从而提高通信质量和容量[25].参考文献:[1] L J municati on satelli te antennas [A].in Proceedi ngs ofthe IEEE.[C],M ar.1977,65(3):356-369.[2] W R ot man.Optimi zati on s tudies of multiple -beam antennas for EHF827第 6 期周乐柱:卫星通信多波束天线综述satellite communications[A].in1988Antennas Propagat.Soc.Int.Symp.Di g.[C],Syracuse,NY,1988:1306-1309.[3]M A Mitchell,et al.Multiple-bea m multi ple-frequency s pherical lensantenna system providing hemis pherical coverage[A].in Proc.of6thInt.Conf.Antennas Propagat.[C],GA,1989:394-398.[4]A I Zaghloul,Y Hwang,R M Sorbello and F T Assal.Advances ofmulti beam communications satellite antennas[A].Proc.IEEE[C],J uly1990,78(7):1214-1232.[5]P O Iversen,and L J Ricardi.Emulation of a37-beam MBA usi ng a265-beam MBA[A].in Proc.1991Nat.Teles ys t.Conf.[C],Atlanta,G A,1991:157-161.[6]Y Hwang.Satellite antennas[A].Proc.IEEE.[C],Jan.1992,80(1):183-193.[7]E J Fitzpatrick.SPACEWAY system s ummary[J].Space Communica-tion,13(1995)7-23,IO S press:7-23.[8]T Katagi,and Y Takeichi.Shaped beam horn-reflector antennas[J].IEEE Trans.Antennas Propagat.,Nov.1975,AP-23,11:757-763. [9]B S Westcott.Shaped Reflector Antenna Design[M].Letc hworth,Hert,England:Research Studies Pres ss Ltd,1983.[10]V Galindo-Is rael,W A Imbriale,and R M i ttra.On the theory of thesynthesi s of s ingle and dual offset shaped reflector antennas[J].1987,IEEE Trans.Antennas Propaget.,AP-35:887-986.[11]K Ueno,T Itanami,H Kumazawa and I Ohtomo.Design and c haracter-is tics of a multiband communication satelli te antenna s ystem[J].IEEETrans.Aerospace and Electronics Systems,April1995,31(2):600-606.[12]E C DuFort.Opti mum Net work for si multaneous multiple beam antennas[J].IEEE Trans.Antennas and Propagation.,Jan.1992,40(1):1-7.[13]D C Chang,C N Hu,and K T Ho.Pattern s ynthesis of the offset reflec-tor antenna system with les s complicated phase array feed[J].IEEETrans.Antennas and Propagation.,Feb.1994,42(2):240-245. [14]K S Rao,G A Mori n,M Q Tang,S Ric hard,and K K Chan.Develop-ment of a45G Hz multiple-beam antenna for military satelli te commun-icati ons[J].IEEE Trans.Antennas and Propagation.,Oct.1995,43(10):1036-1047.[15]P O Ivers en,L J Ricardi,and W P Faus t.A comparison among1-,3-and7-horn feeds for a37-beam MBA[J].IEEE Trans.Antennas andPropagation.,J an.1994,42(1):1-8.[16]S D Gray.A nulli ng performance comparison between a single-andmul tiple-aperture multiple-bea m antenna[J].IEEE Trans.Antennasand Propagation.,Nov.1995,43(11):1319-1324.[17]G S Gupta,M Tang,K S Rao,and C K Mok.Design and trade-off s tudyfor intersat7c-band antenna sys te[A].SBMO Int.Mic rowave Symp.[C],Sao Paul o,Brazil,July,1989:202-212.[18]P Ingers on,and C A Chen.The use of non-focusing aperture for mult-iplebea m antenna[A].IEEE Antennas Propagat.Symp.[C],1983:330-333.[19]K S Rao,and H J Moody.Modeling of s haped beam s atellite antennapatterns[J].IEEE Trans.Antennas Propagat.,June1987,35(6):639-642.[20]J F M cllvenna.Monoli thic phased arrays for EHF communication term-inals[J].Microwave J.Mar.1988:113-125.[21]R J M ailloux.Phased array architecture for mm-wave active arrays[J].M icrowave J.,Jul y,1986:117-124.[22]S Sanz gi ri,D Bos tron,W Potterger,R Q Lee.A hybrid tile approach forKa Band s ubarray modeles[J].IEEE Trans.Antennas Propagat.,Sept.1995,AP-43(9):953-959.[23]P Rastrilla,I Stojkovic,J Benedicto and P Ri nous.Medium altitudepayload concepts for pers onal s atellite communicati ons[A].A mericanIns ti tute of Aeronautics and As tronautics[C],AIA A-94-1092-CP:1186-1193.[24]K S Rao.Des ign and analysis of mult-i beam reflector antennas[J].IEEE Antennas and Propag.Magazi ne,Aug.1999,41(4):53-58. [25]R Miura,T Tanaka,I Chiba,A Horie and Y Karasawa.Bea mformingexperi ment with a DBF multibeam antenna i n a mobile s atellite env-ironment[J].IEEE Trans.Antennas and Propag.,April1997,45(4):707-713.[26]Zaghl oul,Gupta R J,Kohl E C,Kilic O.Design and performance as-sess ment of active phased arrays for communicati ons s atellites[A].IEEE Int.Symp.O n Phased Array Systems and Technology[C],May21-25,2000:193-196[27]Karmakar N C,Bial kows ki M E.Electronically steerable array antennasfor mobile s atellite communication-a revie w[A].IEEE Int.Symp.OnPhased Array Systems and Technology[C],May21-25,2000:81-84.作者简介:周乐柱男.1944年生于贵州贵阳.北京大学教授、博士生导师,IEEE高级会员.1968年毕业于北京大学物理系,1981年获北京大学无线电电子学系理学硕士学位,毕业后留校任教至今,1991年8月~1993年2月在英国伦敦大学学院作高级访问学者.1994年10月~1997年3月在英国曼彻斯特科技大学(U MIST)作研究教授.长期从事电磁场及微波理论与技术方面的科研和教学工作,已发表论文,专著和教材等五十多篇本.近年来主要从事计算电磁学及其应用和卫星通信方面的研究工作.曾获得国家教委科技进步二等奖,北京大学自然科学优秀成果奖二等奖.李斗女.1967年生于吉林长春.北京大学电子学系讲师.分别于1989年和1992年在北京大学电子学系获理学学士和理学硕士学位,毕业后留校任教至今.参加了VSA T卫星通信系统的研制、第三带移动通信系统方案评估、基于通用小卫星平台的高中低轨道通信卫星系统的研究、以及国家863计划卫星移动通信方案和设计等项目.目前正在职攻读博士学位.郭文嘉男.1942年生于上海.北京卫星信息工程研究所研究员.1964年毕业于中国科技大学.1967~1997年任西安空间无线技术研究所研究员,曾负责研制多种通信卫星(例如东方红-3-F2)的天线和其他多项研究课题,发表过二十多篇科技论文.当前的研究领域包括卫星赋形束天线、多波束天线和有源天线等.828电子学报2001年。

电波卫士介质透镜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）08-0063-05Abstract: This paper reviews three major multi-beam antennas, and describesthe working principle of threekinds of antennas respectively, in addition, performs performance comparison of Threebasic multi-beam Antennas.Keywords: multi-beam antenna; Satellite monitoring; Phased array antennaCai Hongyun, Li Sijing, Zhou Ping(National Radio Monitoring Center Shenzhen monitoring station, Shenzhen, 518120)Research on Multi-beam Antenna Technology图1 多波束透镜天线工作示意图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组成馈源阵来压低波束的旁瓣电平。

天线在卫星通信中的关键技术在当今的信息时代，卫星通信作为一种重要的通信手段，在全球范围内发挥着至关重要的作用。

无论是广播电视信号的传输、远程通信服务的提供，还是气象数据的收集与分发，都离不开卫星通信技术的支持。

而在卫星通信系统中，天线无疑是其中最为关键的组成部分之一。

天线，简单来说，就是用于发射和接收电磁波的装置。

在卫星通信中，天线的性能直接决定了通信的质量、覆盖范围以及数据传输的速率。

为了实现高效、稳定且可靠的卫星通信，研究和应用一系列先进的天线技术至关重要。

首先，波束成形技术是天线在卫星通信中的一项关键技术。

通过调整天线阵元的激励幅度和相位，可以实现波束的指向控制和形状调整。

这意味着可以将信号能量集中在特定的方向上，从而提高信号的强度和接收效果。

例如，在卫星与地面站之间的通信中，可以通过波束成形技术将波束指向地面站所在的位置，减少信号的散射和衰减，提高通信的可靠性和数据传输速率。

多波束天线技术也是卫星通信中的重要手段。

传统的单波束天线只能在一个方向上进行通信，而多波束天线可以同时形成多个波束，覆盖不同的区域。

这使得卫星能够同时与多个地面站进行通信，大大提高了卫星通信的容量和效率。

想象一下，一颗卫星可以同时为多个地区提供通信服务，这在应对日益增长的通信需求方面具有巨大的优势。

相控阵天线技术在卫星通信中也有着广泛的应用。

相控阵天线通过控制阵列中各个单元的相位，可以快速地改变波束的指向，实现对目标的跟踪和通信。

这种快速响应的能力对于移动卫星通信，如飞机、船舶等交通工具上的通信，尤为重要。

它能够确保通信链路的稳定连接，不受载体运动的影响。

此外，自适应天线技术能够根据通信环境的变化自动调整天线的参数，以优化通信性能。

比如，当存在干扰信号时，自适应天线可以通过调整波束的方向和形状，降低干扰的影响，提高信号的信噪比。

这就像是天线有了“自我调节”的能力，能够适应各种复杂的通信场景。

天线的极化方式也是一个关键因素。