卫星多波束天线综述
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谈卫星通信的发展趋势及其关键技术摘要:卫星通信是国家信息基础设施的重要组成部分,卫星通信产业发展在国家经济社会发展中具有关键的战略性意义。
本文在总结、分析通信卫星产业发展现状与趋势的基础上,结合我国国情提出了对我国卫星通信产业发展的关键技术。
关键词:卫星通信;现状与趋势;关键技术中图分类号: tn927+.2 文献标识码: a 文章编号:卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站的两个或多个地球站相互之间的无线电通信,是微波中继通信技术和航天技术结合的产物。
卫星通信的特点是通信距离远,覆盖面积广,不受地理条件限制,且可以大容量传输,建设周期短,可靠性高等。
自1960年第一颗卫星发射成功以来,卫星通信发展特别迅猛。
目前,卫星通信的使用范围己遍及全球,仅国际卫星通信组织就拥有数十万条话路。
而随着通信行业的不断发展,卫星高速数传系统成为了卫星通信发展的趋势。
1卫星通信系统的发展现状1.1卫星通信的基本概念卫星通信从表现形式来看,它既是一个提供移动业务的卫星通信系统,又是一个采用卫星作中继站的移动通信系统,所利用的卫星既可以是gso卫星,也可以是ngso卫星,如中等高度地球轨道meo、低高度地球轨道leo和高椭圆轨道heo卫星等。
虽然世界上地而通信网络已趋于完善,但受地理条件和经济因素的限制,地而蜂窝系统不可能达到全球无缝覆盖。
以我国为例,在偏远地区,地而网络的广泛覆盖仍然遥遥无期;在沿海岛屿众多的地方,建设地而网络非常困难;在发达地区的某些偏远地方同样没有地而蜂窝网的覆盖;野外勘探,飞机,远洋运输船只,远离城市的旅游探险者,以及紧急搜索、救援人员等都需要一种不受地域、天气限制的移动通信手段;西部地区疆域广阔,但多为荒漠和戈壁,人烟稀少,卫星通信将显示出独具的优势;尤其是发生重大毁灭性自然灾害的地区,地而网络多数会遭到破坏,而卫星通信可能是惟一幸存的通信手段。
所以,卫星通信是一种大有可为的通信方式,具有广阔的应用前景。
网络信息工程2022.06
750 引言北斗和5G是实现“国器自立,自主可控”的两大核心领域,两者有机融合将成为高精度、高可靠、高安全的新一代信息时空体系[1],导航和通信融合的理论逻辑在于卫星系统可
以为地面基站等提供授时、定位服务的时空基准,但由于大气层折射和设备固有误差等因素存在信号覆盖不全和精度降低的问题,通过地基增强网络解算分析,地基增强加速定位信息通过基站高速传输到终端,定位精度可达厘米级;而原本只用于通信的地面基站也能提供定位功能,而且覆盖不到基站信号的偏远地区也能用上北斗短报文通信功能。北斗赋能5G,5G赋能北斗,两者互为补充,特别是把终端和应用融合起来,这样在一个智能设备上就可以实现高精度的定位和服务。
1 应用场景分析卫星系统和地面网络融合起来,构成强大的天地一体化
网络,加上人工智能和大数据等技术的融合,必将促进物联网和智慧交通等应用的爆发与发展[2]。
随着我国汽车保有量的日益增加,司机不文明驾车等人为原因导致交通事故频频发生,交通灯设置不合理等等都会造成城市交通拥堵,无人驾驶技术应运而生。无人驾驶需要超高、超快的路况信息交流。北斗三号导航系统为无人驾驶提供非常精准的定位和应急通信以及高精度地图;5G 的发展为无人驾驶汽车提供低延时高宽带的信息交流[3]。当有
危险发生或危险已发生时,汽车可以自动给附近汽车发送信息,让其他车辆及时做出紧急避险反应,大大降低车辆事故发生的几率,提供安全保障。整个交通网络接入网络,合理控制交通信号灯,改善上下班高峰拥堵。智慧交通构建如图1所示。车载终端通过通信单元实现与边缘云互联,边缘云与北斗系统差分基准站和5G基站互通信息,通过云端进行数据处理和宏观控制,实现万物互联,互联互通。
北斗+5G应用场景下的天线技术研究刘志华 (广州海格通信集团股份有限公司,广东广州,510000)
摘要:北斗系统是我国自主可控的卫星定位系统并于2020年6月完成全球组网。5G是新一代通信技术,构筑起万物互联的核心基础。两大“国之重器”融合赋能智慧社会建设,北斗系统的高精度定位能力和5G低时延、超宽带和海量通信能力是智慧社会的重要基础。北斗+5G应用场景将多样化,但北斗卫星信号落地电平低,容易受到邻近5G系统的干扰,特别两者频率相隔较近时,5G 信号将对北斗业务造成干扰。北斗系统采用阵列天线设计,合成多波束,合成后的波束增益高,对准有效来波信号方向,可以有效对抗5G信号的干扰。关键词:北斗;5G;阵列天线;多波束;抗干扰中图分类号:TN927+.2 文献标识码:A
先进通信技术在卫星系统中的应用在当今科技飞速发展的时代,通信技术的进步日新月异,而卫星系统作为现代通信的重要组成部分,也在不断受益于先进通信技术的应用。
这些先进通信技术的融入,为卫星系统带来了更强大的功能、更高的效率以及更广泛的应用场景。
首先,我们来谈谈卫星通信中的频谱资源利用技术。
频谱资源对于通信来说就如同道路对于交通,是信息传输的通道。
随着通信需求的不断增长,频谱资源变得日益紧张。
先进的频谱感知和分配技术能够让卫星系统更加智能地发现和利用空闲频谱,从而提高频谱的利用率。
例如,认知无线电技术可以让卫星根据周围的电磁环境,动态地调整工作频段和发射功率,避免干扰的同时充分利用频谱资源。
再说说多波束天线技术。
以往的卫星天线往往只能覆盖一个较大的区域,信号的针对性和强度都有所不足。
而多波束天线则可以同时形成多个独立的波束,分别指向不同的区域,实现对多个区域的同时覆盖和精准服务。
这就好比在一个房间里,原本只有一盏大灯照亮整个房间,现在换成了多个可调节的射灯,可以根据需要分别照亮不同的角落。
这种技术大大提高了卫星通信的容量和灵活性,使得卫星能够同时为更多用户提供高质量的通信服务。
编码调制技术也是卫星通信中的关键一环。
高效的编码方案能够在相同的带宽下传输更多的信息,同时提高信息传输的可靠性。
比如低密度奇偶校验码(LDPC)和极化码等先进编码技术,它们能够有效地降低误码率,让卫星通信的质量更上一层楼。
而调制技术方面,高阶调制如 16QAM、64QAM 等的应用,也在不断提升卫星通信的数据传输速率。
卫星通信中的抗干扰技术同样不可或缺。
在复杂的电磁环境中,卫星信号容易受到各种干扰,如自然干扰(如太阳风暴)和人为干扰(如恶意干扰信号)。
先进的抗干扰技术,如自适应滤波、扩频通信等,可以有效地减少干扰对卫星通信的影响,确保通信的稳定和可靠。
接下来要提到的是卫星激光通信技术。
与传统的微波通信相比,激光通信具有更高的传输速率、更小的波束发散角和更低的功耗。
卫星传输方案卫星传输方案1. 介绍卫星传输是一种通过卫星进行数据传输的通信方式。
它利用卫星作为传输媒介,可以实现全球范围内的数据传输。
卫星传输方案被广泛应用于军事、通信、航空航天等领域,具有传输距离远、传输速度快、抗干扰能力强等优点。
2. 卫星传输原理卫星传输的基本原理是通过地面站向卫星上传输数据,再由卫星将数据广播给指定的接收站。
整个过程分为三个主要步骤:上行链路、卫星链路和下行链路。
2.1 上行链路上行链路是指从地面站向卫星上传输数据的链路。
地面站通过专用的地面站天线将数据发送给卫星。
通常采用Ka波段、Ku波段或C波段进行上行传输。
上行链路的传输速率和信号质量对整个传输系统的性能影响较大。
2.2 卫星链路卫星链路是指卫星内部传输数据的链路。
上行链路传输的数据经过卫星接收后,通过卫星上的转发器进行处理,再通过卫星上的发射器广播到下行链路中。
2.3 下行链路下行链路是指从卫星向地面站传输数据的链路。
卫星将数据广播到指定的接收站,接收站通过接收天线接收并解码数据。
下行链路的传输速率和信号质量也对整个传输系统的性能起着重要作用。
3. 关键技术卫星传输方案中涉及到一些关键技术,下面将对其中一些重要技术进行介绍。
3.1 多波束技术多波束技术是卫星传输中的一项重要技术。
它通过同时使用多个发射天线和接收天线,将天线的覆盖范围划分为多个区域,从而提高信号的传输效率。
多波束技术可以同时传输多个用户的数据,实现在不同区域之间进行高效的数据传输。
3.2 高频带宽利用技术高频带宽利用技术是提高卫星传输带宽利用率的重要手段之一。
通过使用高频段的信号进行传输,可以实现更高的传输速率。
同时,采用波束形成和自适应调制等技术,可以充分利用频谱资源,提高频带的利用效率。
3.3 自适应调制技术自适应调制技术是一种根据信道质量自动调整调制方式的技术。
通过监测信道质量的变化,自适应调制技术可以实时调整信号的调制方式,从而提高信号的传输质量。
多波束相控阵天线角跟踪性能及测试方法姚海涛【摘要】针对目前对多波束相控阵天线角跟踪性能测试研究较少的问题,首先分析了多波束相控阵天线的单脉冲和差测角方法,并对波束滑动、波束穿越及信号频率变化对角跟踪性能的影响进行了仿真分析。
类比传统的雷达精度校飞试验,提出了基于飞艇的角跟踪性能测试方法,对角跟踪精度及误差范围进行测试,并利用STK软件实现了可视化。
仿真分析表明,该方法可以实现对多波束相控阵天线角跟踪性能的评定并具有较高的工程应用价值。
%Aiming at the limited research of measurement of multi-beam phased array antennas’ angle tracking performance,the sum-difference monopulse angle measurement is firstly analyzed and the effects of beam sliding,beam crossing and change of signal frequency are simulated in this paper. Subsequently,compared to conventional radar calibration flight test,a novel measurement based on the airship for tracking performance which can test the tracking accuracy and error range is proposed,and visualization of the measurement is achieved through STK software. Numerical simulations demonstrate that the proposed method can accurately measure the performance of angle tracking and is suitable in engineering practice.【期刊名称】《火力与指挥控制》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】6页(P45-50)【关键词】多波束相控阵天线;单脉冲测角;跟踪性能;测试【作者】姚海涛【作者单位】解放军76160部队,广州 510055【正文语种】中文【中图分类】TN82多波束相控阵天线在阵列天线基础上通过对阵列信号的数字加权处理来形成和差波束,如自适应波束形成及子阵级和差多波束[1-6]等,对目标进行单脉冲测角,发现并跟踪尽量多的目标,以实现高跟踪精度、强抗干扰能力及高数据率等优点。
天线阵列技术在通信中的应用天线阵列技术(Antenna Array Technology)是一种将多个天线元件组合在一起形成的系统,通过对天线的空间结构和相位进行优化设计和控制,以改善通信系统的性能和增加通信容量。
该技术已广泛应用于无线通信系统,包括移动通信、卫星通信和雷达等领域。
本文将探讨天线阵列技术在通信中的应用,并对其优势和挑战进行分析。
一、天线阵列技术的基本原理天线阵列技术是基于阵列信号处理理论和天线阵列理论,通过将多个天线元件进行合理的空间排布和相位控制,实现对信号的增益、方向性和抗干扰性能的优化,以提高通信系统的性能和效率。
天线阵列技术主要有两种工作方式:波束形成(Beamforming)和多天线分集(MIMO)。
波束形成利用空间滤波技术对接收到的信号进行加权和相位调整,使得系统可以实现对特定方向的信号进行增益,从而提高接收信号的质量和抗干扰性能。
而多天线分集则是通过将多个天线接收到的信号进行合理的组合和处理,以提高信号的可靠性和通信容量。
二、天线阵列技术在移动通信中的应用天线阵列技术在移动通信中有着广泛的应用,主要体现在以下几个方面:1. 波束形成技术天线阵列技术可以通过波束形成技术实现对特定方向信号的增益,从而改善通信系统的覆盖范围和抗干扰性能。
通过合理控制天线阵列的相位和权重,可以使得信号在目标方向上的增益最大化,而在其他方向上的干扰信号则最小化。
这使得系统可以实现对目标用户的信号增益,提高通信质量。
2. 多天线分集技术天线阵列技术通过多天线分集技术可以提高信号的可靠性和通信容量。
多天线分集技术利用多个天线接收到的独立信号进行合理的组合和处理,以抑制多径衰落和干扰信号,提高通信质量和覆盖范围。
此外,多天线分集技术还可以实现多用户之间的空分复用,提高通信系统的容量。
三、天线阵列技术在卫星通信中的应用天线阵列技术在卫星通信中也有着重要的应用,主要表现在以下几个方面:1. 电波束控制技术卫星通信系统需要覆盖广阔的地理范围,而天线阵列技术可以通过电波束控制技术实现对信号的灵活指向,使得信号主要集中在用户所在区域,减少信号的传播损耗和干扰,提高通信质量。
手机直连卫星系统发展及关键技术综述目录1. 内容概要 (3)1.1 研究背景 (3)1.2 研究意义 (4)1.3 文献综述 (5)1.4 研究内容与方法 (7)2. 手机直连卫星系统的概念与发展历程 (8)2.1 手机直连卫星系统概述 (10)2.2 关键技术概述 (11)2.3 发展历程与现状 (12)3. 手机直连卫星系统的关键技术 (14)3.1 轨道设计与管理 (16)3.2 卫星通信技术 (17)3.2.1 频谱资源管理 (20)3.2.2 多波束服务技术 (22)3.3 地面站技术 (23)3.4 终端技术 (24)3.4.1 终端集成技术 (26)3.4.2 高增益天线技术 (27)3.5 网络架构与管理 (28)3.6 安全与认证技术 (29)3.7 能源管理与功耗优化 (31)4. 5G与6G技术与标准对手机直连卫星系统的影响 (33)4.1 5G技术概述 (35)4.2 6G技术展望 (37)4.3 技术与标准的融合与挑战 (38)5. 应用场景分析 (39)5.1 国际漫游服务 (41)5.2 偏远地区通信 (42)5.3 灾害应急通信 (43)5.4 导航与定位服务 (45)6. 挑战与机遇 (47)6.1 技术挑战 (48)6.2 政策与监管挑战 (49)6.3 市场与商业模式 (50)6.4 竞争环境与未来趋势 (51)7. 全球手机直连卫星系统的发展现状与展望 (53)7.1 主要国家和地区的布局 (54)7.2 主要卫星运营商与合作伙伴 (56)7.3 国际组织与合作框架 (57)7.4 发展趋势与潜在市场 (59)8. 结论与建议 (60)8.1 研究总结 (61)8.2 未来工作建议 (62)8.3 对政策和产业的影响与建议 (64)1. 内容概要本文旨在对手机直连卫星系统(Mobile Satellite Communications, MSC)的发展现状和关键技术进行全面综述。
中星9b卫星参数引言中星9b卫星(也称中国轨道通信卫星9b)是中国国家航天局研制和运营的一颗通信卫星,于2011年12月19日成功发射并进入轨道。
该卫星是中国国内主要的通信卫星之一,广泛应用于电视广播、教育卫星通信、新闻传媒以及企事业单位的通信需求。
本文将介绍中星9b卫星的主要参数。
卫星规格•卫星名称:中星9b•发射日期:2011年12月19日•发射场地:西昌卫星发射中心•卫星类型:通信卫星•运营国家:中国总览中星9b卫星采用空间段和地面段分离的设计,具备较高的性能和灵活的控制能力。
其总质量约为5100千克,绝大部分是燃料,以保证其在轨期间的稳定运行。
轨道参数中星9b卫星采用地球同步轨道运行,具体轨道参数如下:•轨道类型:地球同步静止轨道•轨道高度:35786公里•倾角:0度•轨道周期:24小时地球同步静止轨道使得卫星能够与地球保持相对静止的位置,从而能够提供稳定的通信服务。
通信能力中星9b卫星具备强大的通信能力,可提供广播电视、宽带互联网、数据传输等多种通信服务。
卫星天线中星9b卫星配备了多个天线,用于接收和发送信号。
其中,主要的通信天线包括:1.广播电视天线:用于接收和发送广播电视信号,支持多频段多卫星接收。
2.宽带互联网天线:用于接收和发送宽带互联网信号,支持高速数据传输。
3.数据传输天线:用于接收和发送数据传输信号,支持远程数据通信。
服务范围中星9b卫星的服务范围主要覆盖中国境内及周边地区,包括:•中国大陆•香港、澳门、台湾地区•东南亚地区•部分周边国家技术特点中星9b卫星的技术特点包括:1.多波束技术:中星9b卫星采用了多波束技术,可以同时向多个地面站发送信号,提高通信容量和效率。
2.支持高清广播:中星9b卫星支持高清广播,可以提供更高质量的电视信号传输。
3.转发能力强:中星9b卫星具备较强的转发能力,可以同时处理多个用户的通信请求,满足大规模通信需求。
结论中星9b卫星是中国国家航天局研制和运营的一颗通信卫星,具备较强的通信能力和广播传输能力。
美军“先进极高频”(AEHF)军用通信卫星美军“先进极高频”(AEHF)军用通信卫星2010年8月12日,美国将用“宇宙神-5”火箭发射第1颗“先进极高频”(AEHF)军用通信卫星,用于取代现役的“军事星”(Milstar) 卫星系统,这是美国军用通信卫星迈出更新换代的第二步。
新发射的美国“AEHF”军用通信卫星也叫第3代“军事星”,用于替换第2代“军事星”。
其信息传输能力是现役第2代“军事星”的10倍,军方操作人员所获得的带宽将增大5倍,且体积更小,更耐用,可处理更多的通信数据量,从而能够支持战术军用通信。
另外,每颗AEHF卫星造价5.8亿美元,约是“军事星”的1/2,寿命预计为15年。
该卫星的主承包商是美国洛克希德·马丁公司,总共研制5颗。
AEHF卫星能给战区指挥官提供离安全性的、抗干扰的、不易截获的通信服务,可满足实时图像,战场地图和跟踪数据传输等战术通信需求,将成为美国国防部在军用卫星通信体系结构中期阶段使用的骨干。
新旧技术相结合AEHF采用A2100卫星平台,发射质量约6600千克,入轨质量4100千克,比采用“波音-702”平合的“宽带全球卫星通信”卫星还大10%以上。
它采用了“军事星”上已有的扩频,调频,星间链路和星上处理等技术,所以能增强路由选择,能根据用户优先级别来提供点对点通信以及网络服务,并通过星间通信实现全球服务。
卫星具有非常强的战场生存能力,特别是减小了对地面支持系统的依赖程度,降低了地面破坏攻击的可能性。
即便地面控制站被破坏,整个系统仍能自主工作半年以上。
AEHF采用了相控阵天线技术,波束成形网络技术、毫米波单元(AMU)技术和电推进系统等一些新技术。
为了满足战争的特殊需要,该卫星一共携带有14部天线:1个极高频上行相控阵天线(波束可在用户之间瞬变),2个超高频下行相控阵天线,2个V频段(60吉赫兹)星间链路天线(口径为1.83米的卡塞格伦天线),1个上/下行收发共用全球覆盖喇叭天线,2个上/下行收发共用调零天线(用于自适应调零和抗干扰),6个上/下行装有平衡架的收发共用可旋转碟型天线。
卫星阵馈反射面赋形波束天线的内积波束赋形方法张亦希;张恒伟【摘要】Since for array-fed reflector satellite shaped-beam antennas, traditional beam-shaping algorithms obtain their results simply by approximating the shaped beams to a limited number of samples in the desired patterns at the corresponding directions, which requires antenna designers to adjust the numbers anti positions of those selected samples repeatedly before achieving satisfactory patterns and are al- ways difficult to use in practice. Thus, this paper presents a new beam shaping al- gorithm based on inner-product operation, which instead minimizes the total error of the shaped beam from the desired pattern at almost all directions and therefore o- vercomes the limitation of those traditional methods. Moreover, the presented algo- rithm is also an analytical approach to achieve accurate results efficiently.%传统的波束赋形方法由于仅仅是使赋形波束在某些方向上逼近目标方向图的采样值,而为获得满意的赋形波束往往需要对所选采样的数量和位置进行反复调整,在实际使用中十分不便。
移动基站天线及波束赋形天线研究一、本文概述随着无线通信技术的快速发展,移动基站天线及波束赋形天线在提升网络覆盖、增强信号质量和提高频谱效率等方面发挥着至关重要的作用。
本文旨在深入研究移动基站天线及其波束赋形技术,探讨其设计原理、性能优化和应用前景。
本文将介绍移动基站天线的基本原理和分类,包括其工作原理、辐射特性以及不同类型天线的优缺点。
随后,将重点分析波束赋形天线的关键技术,如波束形成算法、阵列结构设计和信号处理技术等。
通过理论分析和实验验证,本文旨在揭示波束赋形天线在提高信号增益、降低干扰以及提升系统容量等方面的优势。
本文还将关注移动基站天线及波束赋形天线在实际应用中的挑战与解决方案。
例如,如何在复杂电磁环境下实现高效的天线布局和波束管理,以及如何在保证性能的同时降低天线系统的成本和复杂度。
本文将对移动基站天线及波束赋形天线的未来发展趋势进行展望,探讨新技术、新材料和新工艺对天线性能的影响,以及天线系统在5G、6G等未来通信网络中的应用前景。
通过本文的研究,旨在为无线通信领域的科研人员、工程师和决策者提供有益的参考和借鉴。
二、移动基站天线概述移动基站天线是无线通信系统中不可或缺的组成部分,其主要作用是实现无线信号的收发和波束赋形,从而确保无线通信的顺畅进行。
随着移动通信技术的不断发展和用户需求的日益增长,移动基站天线也在不断演进和优化。
移动基站天线通常由多个天线单元组成,这些天线单元按照一定的排列方式组成阵列,以实现信号的定向传输和接收。
根据不同的应用场景和频段,移动基站天线可以分为多种类型,如全向天线、定向天线、扇形天线等。
其中,全向天线能够向各个方向均匀地辐射信号,适用于覆盖范围广、用户分布均匀的场景;定向天线则能够将信号集中向特定方向传输,适用于需要高精度覆盖和减少干扰的场景。
除了天线类型外,移动基站天线的性能还受到天线增益、波束宽度、极化方式等多个因素的影响。
天线增益决定了天线辐射信号的强度,而波束宽度则决定了天线覆盖的区域范围。
阵列天线波束赋形技术研究与应用一、本文概述阵列天线波束赋形技术是现代无线通信领域的关键技术之一,其研究与应用对于提高通信系统的性能、扩展通信覆盖范围以及实现更为精确的无线通信具有重要意义。
本文旨在深入探讨阵列天线波束赋形技术的原理、方法及其在无线通信领域的应用。
本文将对阵列天线波束赋形技术的基本概念进行阐述,包括阵列天线的构成、波束赋形的原理以及赋形波束的特点等。
本文将详细介绍阵列天线波束赋形的主要方法,包括波束形成算法、波束指向控制、波束宽度调整等,并对各种方法的优缺点进行分析。
本文还将探讨阵列天线波束赋形技术在无线通信系统中的应用,如提高信号接收质量、增强系统容量、扩大覆盖范围等。
本文将总结阵列天线波束赋形技术的研究现状和发展趋势,并对未来的研究方向和应用前景进行展望。
通过本文的研究,旨在为读者提供对阵列天线波束赋形技术的全面认识,并为相关领域的研究和应用提供有益的参考。
二、阵列天线波束赋形技术基础阵列天线波束赋形技术,又称为波束形成或波束指向技术,是阵列信号处理的核心内容之一。
它通过对阵列中各个天线元素进行幅度和相位的加权控制,实现对特定方向信号的增强或对特定方向干扰的抑制,从而实现波束的定向传输和接收。
阵列天线波束赋形技术的基础主要包括阵列天线的数学模型、波束赋形的优化算法以及波束赋形的性能评估等方面。
阵列天线的数学模型是波束赋形的基础。
它通过对阵列中各个天线元素的辐射特性进行建模,将阵列的输出表示为各个元素辐射场的叠加。
常见的阵列天线模型包括均匀线阵、均匀圆阵和平面阵等。
这些模型为后续的优化算法提供了理论基础。
波束赋形的优化算法是实现波束赋形的关键。
优化算法的目标是根据特定的优化准则,如最大信噪比、最小均方误差等,确定阵列中各元素的加权系数。
常见的优化算法包括最大信噪比波束形成算法、最小均方误差波束形成算法以及基于遗传算法、粒子群优化等智能优化算法的波束形成算法。
这些算法在不同的应用场景下具有各自的优缺点,需要根据具体需求进行选择。
卫星电视系统介绍第一章卫星电视广播系统第一节地球同步卫星地球同步卫星绕地球的时间和地球自转一周的时间相等。
从地球上看,卫星的位置在空中固定不动,地面接收站的天线对准卫星之后就可以稳定的进行接收。
同步卫星必须处于离地面高度为35786KM的赤道上空的圆形轨道上(图(1)为同步卫星轨道示意图)。
同步卫星在轨道上的位置按如下方法表述:把同步卫星和地心的连线与地面相交的点A称为星下点(星下点都在赤道上),用星下点所处的地理经度来表示同步卫星所在的轨道位置。
例如:“亚洲一号”卫星轨道位置为东经105.5°,通常记作105.5°E。
图(1)同步卫星轨道示意图第二节卫星电视广播系统的组成卫星电视广播系统主要由上行地球站,广播卫星,卫星接收站及卫星测控站四大部分组成,如图(2):图(2)同步电视广播系统组成第三节卫星电视广播的频段划分为了统一使用有限的频率资源,1979年国际电信联盟对卫星电视广播的频段进行分配,共分为六个频段。
卫星电视广播已经使用的有L、S和KU三个较低频段,Ka、Q和V三个较高频段在技术上尚未成熟,目前未使用。
作为卫星电视广播的过渡阶段,目前我国和大多数亚洲国家使用C频段进行卫星电视广播。
KU 频段是目前卫星电视广播的优选频段,随着高频技术的成熟,应用KU频段实现卫星电视广播的系统越来越多。
第四节卫星电视接收系统的基本组成卫星电视接收系统通常由抛物面接收天线、高频头和卫星接收机三大部分组成。
接收天线和高频头安装在室外,卫星接收机放置在室内为电视接收机提供接收信号。
高频头与卫星接收机通过电缆线相连接。
卫星电视接收系统的基本组成如图(3):图(3)卫星电视接收系统的基本组成卫星电视接收系统的基本工作原理如下:由抛物面接收天线收集从卫星下行的电磁波信号,并聚焦于馈源上。
高频头将馈源送来的卫星微波信号进行低噪声高频放大,经下变频为第一中频信号(950~1750 MHZ)。
然后由同轴电缆送至室内的卫星电视接收机。
、。。。年
1。
月中国空问科学技术
第5期CHINESESPACESCIENCEANDTECHNOLOG
Y
卫星多波束天线综述
谢崇进王华芝(北京邮电大学北京100088)
摘要卫星通信的发展及对卫星通信的容量和效率要求的不断提高导致
了
卫星多波束天线的出现文章对目前使用的阵馈单反射面多波束天线成形反射
面多波束天线有源多元阵多波束天线及镜像多波束天线的结构分析方法适
用范围等进行了综述并给出了相应的例子
主题词多波束天线卫星通信述评
1引言
人们对卫星通信要求的不断提高促进了卫星通信技术的不断发展如何提高卫星通
信的容量和效率一直是该领域研究的主要问题之一通过在卫星上使用多波束天线则是解决这个问题的一种重要手段
多波束天线的基本使用就是利用一副天线产生多个波束卫星上使用多波束天线有许
多优点:它可以通过频率复用成倍地提高通信容量使得宝贵的频谱资源得以有效地利用;由于使用窄波束它有很高的增益可以使地面站的设备小型化这不仅可以大大减小系统成本而且对某些系统是必须的如卫星移动通信系统它要求卫星向地面提供较高的
EIRP
值以
使地面终端简化为此必须在星上使用多波束天线;同时多波束天线还可根
据需要产生扫描波束进行波束的重新组合从而使系统具有很大的灵活性
根据覆盖区域及要求的不同卫星多波束天线有4种可能的应用情况:¹覆盖区由多个分散的区域组成每个区域由单个波束覆盖º覆盖区为一较大的区域由多个连续的波束组成一个成形波束覆盖各子波束可同频也可不同频»覆盖区由多个分散的区域组成每个区域由单个波束覆盖并在不同的区域之间进行频率复用¹覆盖区为一较大
的区域但在成形波束的子波束间进行频率复用这几种情况的示意图见图1
本文受国家自然科学基金项目资助
收稿日期
1994一12一07中国空问科学技
术1995年
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图1波束排列情况
相应于以上不同的情况对天线有不同指标要求情况¹只要求天线能提供互不相关的单个波束;情况º必须考虑波束的宽度和交叠电平为避免对周围地区产生干扰国际电联对它的副瓣也做出了规定;情况»必须重视副瓣电平进行频率复用要求副瓣电平
不超过一25一一30dB;情况¹既要考虑交叠电平又要控制副瓣电平
多波束天线有3种基本类型:多元阵天线透镜天线和各种反射面天线由于对卫星天线质量和体积的限制透镜天线在卫星多波束天线中用得很少目前反射面天线在卫星上用得最广泛近年来由于有源多元阵的出现和发展有源多元阵天线有望在将来的卫星多波束天线中得到广泛应用本文对目前主要应用的几种卫星多波束天线包括它们的结构分析方法及适用范围进行了综述
2阵馈单反射面多波束天线
反射面天线由于其结构简单质量轻技术成熟一直是卫星天线的首选天线天线
反射面一般采用抛物反射面为避免馈源的阻挡及馈源和反射面间的相互藕合多采用偏馈反射面系统这种天线的几何结构见图2它是由偏馈的抛物面和位于焦点处的馈源阵
组成反射面处于馈源的远场区在这种天线中多个馈源照射单一反射面从而在服务区内形成多个子波束通过调整子波束的排列方
式及各馈源的激励系数就可以使合成波束对于所覆盖的特定服务区域赋形
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文献〔9」对此有详细的论述文献[1叼给出了计算天线几何尺寸的简单公式
图2馈源阵反射面天线的基本结构
天线的几何参数中反射面口径D和焦距口径比F/D是两个重要的参数D决定着天线的增益及单个波束的宽度F/D值影响天线的扫描性能与焦点波束相比波束偏离焦点时会使增益G下降波束展宽副瓣电平(SLL)增大波束形状畸变表1示出了F/xggs年20月
中国空间科学技术
D值对扫描波束(与焦点波束相比)的增益副瓣电平及波束宽度的影响程度F/I)值对
波束形状的影口问见图3
杖斌工哑亚亚
二外。0兰
2m反射面F/D~09(a)4d巷等值线77
00
反射器焦点扫描角
厂‘___
__
二一
一弓弓
又灭功以立卿乃
9100
3.2m反射面(b)F/D一1477004
dB
等值线
图3F/D值对扫描波束形状
的影响
表IF/D对天线性能的影响F/DG下降/dBSLL上升/dB波束展宽
032523314
0155071770510很小小60
很小小
注D一20几夕一10(夕为扫描波束和焦点波束间的夹角)
从表1和图3中可看出F/D值越大天线的扫描性能越好但F/D值增大使得整个天线的体积增大同时天线的口面张角变小这意味着天线的方向图要窄使得馈源
的尺寸变大不但使加工复杂且增加了天线的体积质量而这是卫星天线所必须避免的因此这些参数要折衷考虑天线的几何尺寸确定后可以根据几何参数算出每个馈源产生的场再对天线馈源的激励系数进行优化目前已有许多优化算法如最小二乘法最小最大法等在相关的文献〔’‘M‘2]中有具体的论述阵馈单反射面多波束天线结构简单技术成熟当要求的波束不多时用这种天线很理想INTELSATIvAV讥卫星天线都是这种天线在IN’rELSATv中C
波段天
线反射面口径为24mF/D为102馈源阵由89个喇叭馈源组成它提供了一个全球波
束两个半球波束和两个地区波束在INTELSATvl中C波段天线反射面口径为3ZmF/D为13馈源阵由145个喇
叭馈源组成(发射部分)它提供一个全球波束两个半球
波束和四个地区波束
3成形反射面天线
在阵馈反射面类型和多元阵类型的多波束天线中波束形成网络往往非常复杂而且还带来了相当的插入损耗增加了天线的体积和质量如果要求天线产生一个覆盖某特定地区的成形波中国空间科学技术1995年10
月
束就可以去掉馈源阵和波束形成网络用单个馈源和具有一定形状的反射面产生该特定的波束这样可以大大简化整个天线系统降低夭线的成本这种天线要设计成具有一定形状的反射面使该
反射面在近场口面上产生的场分布能产生所需要的方向图因此这种天线设计的关键是反射面形状的计算及反射面的加工工艺
迄今人们已提出了许多算法具体见相关文献[13〕「14」下面
简要介绍其中的一种算法这是一种迭代算法由三个步骤组成第一步是在具有
固定
幅度分布的近场口面上优化相位分布第二步根据口面场的相位分布计算反射面的形状第三步根据反射面的形状和馈源方
向图
计算口面上的幅度分布新的幅度分布做为下一次相位分布优化
时的幅度分布……这样迭代下去直到计算出的方向图满足要求为止图4示出了这种算法的过程迭代算法必须选择一个初始点一般用一个偏馈抛物面作为初始点
举一个用该算法计算的实例:用单个馈源和单个成形的反射面产生一个覆盖美国大陆的波束图5是初始抛物反射面
的
结构;图6是经过四次迭代后的成形反射面产生的远场方向
图
幅度分布相位分布
相位优化化反射面计算
口面场幅度计
算
相位优化化
反射面
图4反射面形状迭代算法这种天线的缺点是波束形状一旦固定就不易改变而且使用带宽也
有一定的限制
近
几年来人们采用了网状反射面用计算机控制反射面的重新组合来改变波束的形状其形状的改变也是有限的
近场口面
洲少〕一1/月
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氯
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‘馈源
厂又
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方位
角
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图5初始抛物反射面结构F=250几R一125几Z一140之H=155几图6四次迭代后的远场方向图
4多元阵多波束天线
使用窄波束可以提高频率的利用率如果用窄波束组成一地区波束波束数必然很多;由于单反射面天线的扫描能力差使用单反射面天线产生这么多的波束其馈源数也将会