角分集天线参数设计技术研究

高自新，徐志平

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.中国人民解放军96275部队，河南洛阳471003)

0 引言

对流层散射通信信道是一种时变衰落信道，为克服信道衰落对通信质量的影响，散射通信设备普遍采用分集技术。传统的多天线空间分集方式分集效果好，但设备数量多，机动能力较差。单天线设备与之相比有一定的优势。

单天线的分集形式主要包括频率分集、时间分集和角分集等方式。角分集相对于空间分集在空间占用体积、设备数量等方面，相对于带内频率分集在频谱利用率(接收角分集)和抗频域平坦衰落等方面有着明显的优势。本文旨在通过计算和仿真提出角分集天线在设计中的主要参数，以为角分集通信天线工程设计提供参考。

1 角分集的相关系数

设角分集的2个波束半功率角相等，2个波束的水平夹角为φ，垂直夹角为θ。则角分集的包络的相关系数ρφ，()θ［1］表示为:

式中，ρh()φ为水平包络相关系数;ρv()θ为垂直包络相关系数。

ψ1/2h为发射/接收天线的水平半功率角;

θ1/20为发射/接收点一边的部分散射角。

同理可以计算出垂直波束包络的相关系数ρv()θ为:

由于对流层散射体的分布特点，在相同角度条件下垂直角分集效果要好于水平角分集。因此在文中重点研究垂直角分集方式。

从以上公式可知，相关系数主要取决于以下参数［1，2］:① 偏焦距离，决定了天线两波束的夹角;②天线口径和工作频率，决定了天线的半功率角;③通信距离，决定了散射链路的部分散射角。

而从工程经验上看，当两通道的相关系数不大于0.6时，便可以获得较好的分集效果。

2 偏焦馈源的影响

根据角分集天线的设计特点，主要考虑横向偏焦馈源的情况，如图1所示。馈源从焦点F横向偏焦至F'点，偏焦距离为Δy，当Δy远小于FM时，由F'向反射面投射的射线经过反射后仍可近似平行于抛物面的轴线。由于馈源偏移后由F'点经反射

图1 横向偏焦抛物面示意图

面投射到焦点平面时射线经过的路程不再是常数，因此抛物面口径场不再是同相场。口径面上各点的相位可以由馈源位于F'时的相位延迟与馈源在F点的相位延迟之差来表示。

路径差［3－6］:

由抛物面方程:y2=4fz，有

因为

所以有

当Δy＜＜f时，只取上式的前2项，则可得到抛物面口径面上场的相位分布规律为:

由上式可知，馈源的横向偏焦主要引起抛物面口径场线性相位偏移和立方相位偏移，线性相位偏移对天线辐射场方向图没有影响，只是方向图发生偏移，也就是说与口径场为同相场的天线方向图相比只是最大辐射方向偏移了一个角度，而方向图的形状没有发生变化，立方相位偏移不仅使天线方向图的最大辐射方向发生偏移，而且使方向图变得不再对称，主瓣两边的旁瓣均发生变化，一边的副瓣升高，另外一边的副瓣降低，如图2所示。

图2 变焦引起90°面的方向图变化

天线口径2.4 m，频率8 GHz，偏移2 cm。当偏焦波束偏离较大时，一方面引起天线增益损失;另一方面由于波束抬高引起的散射角增大，导致散射的附加损耗增加，图3为附加损耗的变化曲线。

图3 散射链路损耗与散射角关系

由图3可见，散射角每增加一倍，散射损耗增加约13 dB。因此要尽量减小偏焦波束与主波束的夹角，使之控制在半功率角以内。

3 不同通信站型条件下的相关系数

根据散射通信系统不同站型的设备配置情况，研究单天线角分集天线相关系数与偏焦距离、天线口径、工作频率和通信距离等的关系。

3.1 散射通信大站

散射通信大站是指通信距离大于100 km，通信容量在兆b/s量级，天线口径一般大于2 m的散射通信站。

图4和图5分别给出了通信距离为150 km、3 m天线和通信距离为100 km、2.4 m天线在C、X、Ku频段下，其波束夹角、相关系数与天线偏焦距离的关系仿真曲线图。

图4 3 m天线和150 km条件下的相关系数

图5 2.4 m天线和100 km条件下的相关系数

从图4、图5中可以得出:

①图4中天线口径为3 m，通信距离为150 km，当相关系数为0.6时，C频段的偏焦距离为2.7 cm，波束夹角为 1.2°;

②图5中天线口径2.4 m，通信距离为100 km，当相关系数为0.6时，C频段的偏焦距离为5 cm，波束夹角约为3.1°;此时已远大于半功率角(2.4 m天线的半功率角为1.86°)散射链路损耗将显著增加，故天线口径小于2.4 m时，不适宜采用C及C以下频段。

3.2 散射通信小站

散射通信小站是指通信距离小于100 km，天线口径小于2 m的散射通信站。

图6和图7分别给出了通信距离为80 km，1.5 m天线和通信距离为70 km，1.2 m天线在 C、X、Ku频段下，其波束夹角和相关系数与天线偏焦距离的关系仿真曲线图。

图6 1.5 m天线和80 km条件下的相关系数

图7 1.2 m天线和70 km条件下的相关系数

从图6、图7中可以得出:

①对于散射通信小站，由于天线口径较小、通信距离较近，角分集天线采用C频段已不在适合;

②图6中天线口径为1.5 m天线，通信距离为80 km，当相关系数为0.6时，X频段的偏焦距离为2 cm，对应的波束夹角为2°(此时天线的半功率角为1.75°);

③ 图7中天线口径为1.2 m，通信距离为70 km，当相关系数为0.6时，X频段的偏焦距离为2 cm，波束夹角约为2.2°(此时天线的半功率角为2.18°)，此时偏焦引起的附加损耗将在实际链路中有明显增加。

从以上分析可知，当天线口径在1.5 m以上时，可以采用X及以上频段;而天线口径小于1.5 m时，需要采用Ku频段。

4 角分集天线设计建议

根据上面的仿真结果，同时考虑到天线加工精度等因素，对于散射通信大站，其角分集天线工作频段可以采用C或X频段，此时，典型的散射通信大站其主要设计参数如表1所示。

表1 散射通信大站角分集天线设计参数

根据上面的仿真结果，对于散射通信小站，其角分集天线工作频段应以X或Ku频段为主，且以Ku频段为佳，此时典型的散射通信小站其主要设计参数如表2所示。

表2 散射通信小站角分集天线设计参数

5 结束语

单天线角分集的分集效果与工作频率、天线口径和通信距离等密切相关，在相同的偏焦距离条件下，工作频率越高、天线口径越大、通信距离越远，则其分集效果越佳。根据散射通信工程能力设计要求，给出了不同站型条件下角分集天线的设计参数，对今后的单天线散射通信工程设计有一定的参考意义。

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