一种零陷波束赋型器的系统设计

颜至悦 ， 黄永辉

（1.中国科学院大学 北京 100190；2.中国科学院空间科学与应用研究中心 北京 100190）

星间通信系统正朝着大容量、可变性的方向发展，如此以确保卫星通信系统拥有良好的系统性能。空分复用是一个相当具有吸引力的解决方法[1-2]。在目前的通信系统中，空分复用技术可与时分复用、频分复用以及码分复用等技术一起工作进而满足人们日益增长的通信需求。一般而言，空分复用依赖于自适应波束成形技术[2-3]。在减小干扰情况下为了最大化波束的增益，星载波束赋型器将根据用户的位置方向来优化天线阵列所产生的辐射方向图。

考虑到实际通信场景，星间数据传输往往在时间上是间断的，且卫星间的位置是实时变化的。因此，预设置的通信计划不适用于该星间通信系统[2]，这将造成星间资源的极大浪费。由于波束赋型技术使得卫星可根据通信用户的位置信息来制定通信方案，即在期望的信号方向上产生合适的方向图。因此该技术十分适用于星间通信系统。

我们研究星间通信系统的主旨是建立一个信号恢复系统，该系统包含了可产生定向方向图的阵列天线。该文章研究了均匀线阵和平面阵下的零陷波束赋型技术。根据计算所得的天线阵列的权重，我们得到了一种能够接收期望信号并且抑制干扰信号的零陷波束赋型器。

1 系统描述

1.1 波束赋型器结构

波束赋型技术采用加权计算并把加权后得到的输出信号相加从而形成具有指向性的辐射方向图。换句话说，阵列天线系统能够将主波束对准期望用户的方向并且同时将零陷点对准干扰信号。因此，能够提升星间通信系统的性能[5]。

图1表示了零陷波束赋型器的结构框图。天线阵列收到信号后输出信号xi（t），把这些信号分别乘以波束赋型器的权重并累加，即得到了最终的输出信号 y（t）[4]。

图1 波束赋型器的结构示意图Fig.1 Beam-former structure

系统输出信号

上式中，N 表示天线单元的数目，W*表示复权重，xi（t）表示第i个天线的输出信号。

波束赋型器的权重表示如下：

每个天线单元产生的信号为

波束赋型器的输出信号为

上式中，T和H分别表示转置和复共轭转置。

对于一个波束赋型器系统，这些权重依赖于环境的改变。比如说用户的方向，信噪比等。通过这些加权的值能让主波束对准期望的信号方向。

1.2 均匀线阵

人们采用各式各样的波束赋型器来提高系统性能，例如传统的波束赋型器、零陷波束赋型器等。在文章中，我们主要研究了零陷波束赋型器。

零陷波束赋型器的工作原理是将产生的方向图的零点对准已知的干扰方向从而有效抑制非期望信号。该波束赋型是通过赋型器的时延和累加得到的。阵列加权的值由下式获得[4]：

A表示由所有信号方向上的导向矢量包括期望信号方向组成的矩阵，它的表达式为

并且 A（θi）表示在 θi方向上的导向矢量

上式中，d表示相邻天线阵列单元之间的距离。

1.3 平面阵

根据以上均匀线阵的权重计算公式，不难得出平面阵的权重计算公式[6]。假设平面阵包含M×N相同天线单元。权重计算公式如下所示：

上式中， A′（θi，φi）表示在方向（θi，φi）上的导向矢量并且i代表阵列单元。

2 仿真分析

在仿真中，我们假设期望信号的方向和干扰信号的方向是已知的。因为在实际星间通信中，每个卫星上往往装有GPS系统，故在进行通信时能够及时获取方向信息。在MATLAB仿真中，信号源的方向是任意给定的，通过该方向信息即可计算出相关的权重值以及获得合适的辐射方向图[6-8]。

2.1 均匀直线阵列的仿真

表1显示了当期望信号的方向在0°，干扰源的方向在-15°和 25°时，权重的值。

表1 7单元均匀线阵的权值Tab.1 Values of 7 elements uniform linear array

图2显示了具有7个单元的均匀线阵的阵因子方向图（天线单元的间距是半个波长长度）。该仿真结果表明辐射方向图的主波束能够对准期望信号的方向（θ0=0°），并且方向图的零陷点对准了干扰信号的方向（θ1=-15°，θ2=25°）。

图2 阵因子方向图Fig.2 Factor pattern， at angle-15°and 25°pattern is about to zero

2.2 平面阵的仿真

与均匀线阵的仿真类似，我们同样对平面阵假设了3个方向，一个是期望信号的方向，另外两个是干扰信号的方向。

图3显示了平面阵的3-D阵因子辐射方向图。该图说明辐射方向图上的主波束可对准期望信号的方向 （θ0=10°，φ0=0°），并且将零陷点对准干扰信号源的方向（θ1=30°，φ1=60°）&（θ2=45°，φ2=145°）从而有效地抑制干扰信号。 其中，* 指示了前面假设的3个方向。

图3 3-D辐射方向图Fig.3 3-D radiation pattern

图4～6分别表示了在不同特定方位角下，俯仰角切向上的辐射方向图。图4说明主波束能够指向期望信号的方向（θ0=10°，φ0=0°）； 图 5 表明了通过波束赋型器产生的方向图能够将零陷点放置在干扰信号源的方向上（θ1=30°，φ1=60°），从而对干扰信号进行有效地抑制；图6所示的结果亦跟图5相同。

图4 方位角为0°时，辐射方向图Fig.4 Radiation pattern at azimuth 0°

图5 方位角为60°时，辐射方向图Fig.5 Radiation pattern at azimuth 60°

3 结 论

图6 方位角为145°时，辐射方向图Fig.6 Radiation pattern at azimuth 145°

本文根据零陷波束赋型技术，分别在均匀线阵和平面阵情况下，求得了天线阵列的辐射方向图。通过加权计算的方法，辐射方向图的主波束能够对准期望信号的方向同时将零陷点对准干扰信号的方向。利用该零陷技术设计的波束赋型器，系统能够有效地接收期望信号并抑制干扰信号。

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[2]Houssin L，Artigues C，Corbel E.Frequency allocation problem in a SDMA satellite communication system[C]//International Conference on Computers&Industrial Engineering，2009.

[3]Iclia Villordo-Jemenez， Ignacio E.Zaldivar-Huerta， G.M Galvan-Tejada， “An Overview of SDMA in Communications Systems”[C]//Circuit and System， MWSCAS06’， 49th IEEE Conference， Midwest Symposium， 6-9 August，2006.

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