全空域球面数字多波束天线波束控制方法研究

肖 遥，蔚保国1,,翟江鹏1,

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

全空域球面数字多波束天线波束控制方法研究

肖 遥2，蔚保国1,2,翟江鹏1,2

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

为适应全空域导航星座的管理需求，提出了一种全空域球面数字多波束天线系统的方案，在全空域内同时形成多个波束，实现同时多目标测控。针对球面阵列天线波束控制问题，提出了“波束滑动扫描”算法，研究了球面阵波束交叉过渡、功率增强的方法。通过对波束方向图的仿真分析，验证了波束控制方法的可行性和正确性。

全空域；球面阵；数字多波束形成；波束控制；阵列天线

0 引言

数字多波束天线是阵列天线技术与数字信号处理技术相结合的一种技术，同时具有阵列天线的波束电子扫描和数字信号高精度灵活处理的优点[1]。数字多波束天线能够同时产生多个波束，完成对多个目标的连续跟踪、测量和通信任务，是解决多目标测控技术的一种有效途径[2]。

传统的阵列天线大都采用平面阵列的形式，具有结构简单、算法成熟的特点[3]。平面阵列天线波束随着扫描角度的增加会出现性能下降的问题，表现为波束变宽、增益下降，无法实现全空域覆盖[4]。为了实现全空域波束覆盖，可采用立体阵[5]的阵列形式。立体布阵一般有2种设计思路[6]：多面体阵列形式和赋型阵列形式。多面体了四列形式采用多个平面阵拼接，如4面或5面拼阵方案，每个面扫描一定范围，多个平面联合作用实现全空域覆盖[7]；赋型阵列形式阵元均匀分布在球面或柱面等立体表面，依托立体的结构形式实现全空域覆盖[8]。

本文主要针对球面数字多波束阵列天线系统，研究其波束控制方法，并进行相关的仿真实验。

1 球面阵列天线架构

本文介绍了一种利用半球面加圆柱面的阵列天线形式，阵元均匀地分布在半球和圆柱表面，单元间距取半波长，网格球顶阵列天线布阵示意图如图1所示[9]。增加圆柱面阵列天线，改善了波束在低仰角时的增益，达到全空域覆盖[10]。

从空间任何角度观察，理想的球面阵列天线工作口径都是一个同样大小的圆形阵面，这样的特点确保了阵列天线在低仰角形成的波束同法线方向波束具有同样优异的特性。球面阵列天线在正常的工作情况下，通过波束指向，选通阵列天线上一定区域的通道，形成一个工作状态的天线口径，且该天线口径的法线方向对准目标，并通过数字波束形成(Digital Beamforming，DBF)产生指向目标的波束。当目标位置发生时，需通过控制球面阵通道的选通和关闭，维持阵列天线工作口径的更新，以“波束滑动”的方式使波束始终指向卫星。球面阵列天线的波束在滑动过程中能够保持恒定的波束宽度和增益，是实现全空域覆盖的最佳阵列形式。

图1 球面阵天线

发射数字多波束天线主要由发射天线单元、发射信道(包括功放和上变频器)、D/A转换器、数字多波束形成模块(包括波束形成器、波束控制器和编码调制器)和控制与信息处理计算机等部分组成，如图2所示[11-12]。

图2 数字多波束天线发射原理

在控制与信息处理计算机的控制下，根据目标位置，选择作用阵元，控制其基带信号产生单元产生基带信号，发送至数字多波束形成模块，未参与波束形成的区域，则关闭通道。各波束信号在波束控制器的控制下，经波束形成器产生指向各目标的阵列信号，多个波束的阵列信号在波束形成器中叠加，经D/A转换为模拟信号，再经上变频、功率放大，由天线阵元辐射到空间。

2 波束滑动扫描方法

2.1 球面阵列天线波束扫描面临的问题

平面阵列天线工作过程中，全部通道同时参与波束形成。由于波束指向相对各个单元天线的俯仰角相同，理论上各单元天线在某一指向波束形成过程中贡献相同的增益。通过各通道权值的实时更新，实现波束在空间的电子扫描。

球面阵列天线工作过程中，通常选择球面一部分区域内通道(通常为一定立体角范围内的球冠表面)参与波束形成[13]，随着波束的扫描，该区域也不断发生变化，因此参与波束形成的通道是动态变化更新的。

同时进行多个波束形成时，当2个波束指向比较接近时，参与2个波束形成的区域将存在一定的重合，重合部分通道同时参与2个波束的形成，数字波束形成技术为该问题提供了有效的解决途径。

2.2 波束滑动扫描方法

球面阵列天线波束合成时，根据期望波束指向，选通阵列天线上一定区域的阵元，该选通区域的法线方向对准目标，并产生指向目标的波束[14]。对于球面阵天线，假设期望波束指向角度为(θ,φ)，要求波束宽度为α；由于单元天线在不同方向的增益不同，法线方向增益最大，随着指向偏离法线方向，增益逐渐降低，因此，在阵列主波束覆盖范围α内，某些阵元实际上并没有贡献。换言之，对于阵列主波束来说，存在一个区域(如图3中阴影区域)，该区域的阵元不参与阵列波束形成。

图3 球面阵

在球面阵中根据波束指向选定圆形阵面作用阵元后，通过数字波束形成技术[15]，产生指向目标的波束。在球面阵列天线中，波束扫描比较复杂，随着目标位置发生变化，通过控制球面阵通道的选通和关闭，维持着阵列天线作用区域的变化，以波束扫描的方式，使波束始终指向目标。

2.3 仿真分析

在方位-145°方向上，波束以1°为间隔从40°扫描到50°的过程如图4所示。

图4 (-145°，40°)～(-145°,50°)扫描的波束方向图

不同俯仰角所对应的主波束方向图的形状基本上保持一致，峰值电平略有不同。通过40°～50°的扫描过程中，俯仰角在40°～47°时，峰值电平的取值为43.637 dB；俯仰角在48°～50°时，峰值电平的取值为43.694 dB，峰值电平变化约0.057 dB，这种变化电平在发射过程中是可以接受的。由于球面阵列天线的阵元布局设计问题，不同方向上参与作用阵元数量不同，通过观察，对波束形成方向图无明显影响，可忽略不计。

3 波束交叉过渡及功率增强方法

3.1 波束交叉过渡

在球面阵列天线执行多目标任务时，根据空间目标的分布，分别选通阵面上不同作用区域的阵元，形成指向不同目标的波束。由于目标位置发生变化，波束指向随之发生变化。在变化的过程中，产生2个或更多波束交叉过渡的现象。

设数字多波束阵列天线具有N个阵元，同时产生M个发射波束(M

当2个目标分别在(-150°，80°)和(-120°，80°)方向时，其对应的作用阵元区域发生重叠，如图5(a)所示。通过波束交叉过渡方法产生2个波束，方位角为80°的方向上的波束方向图，如图5(b)所示。可以看出2个波束分别指向目标方向。

(a) 作用阵元区域

(b) 波束方向图图5 (-150°，80°)和(-120°，80°)作用阵元位置及波束方向图

3.2 波束功率增强

在球面阵列天线工作的过程中，根据要求，有时需要增强波束功率。球面阵列天线波束合成由部分阵元完成，而波束的EIRP与阵元数目、阵元方向图等有密切关系。

发射功率的核算公式为：

(1)

式中，P单通道输出功率为作用单元通道的输出功率；N为参与波束形成的阵元个数。

由式(1)可知，波束的EIRP能力主要取决于单通道功率输出、阵列天线通道数量和单元天线增益3个因素。对于球面阵来说通过增加参与波束合成的通道数量，可以显著提高阵列天线的发射EIRP能力。

只需要在波束形成算法中扩大作用阵元的选择区域，使作用阵元数增多，即可提高波束EIRP能力。在同指向(60°，45°)情况下，选取阵元的波束覆盖范围从60°扩大为90°，如图6所示。在单通道输出功率和单元天线增益不变的情况下，作用阵元区域扩大后作用阵元数量由151增加到330，通道数增多，带入式(1)可以得出，波束EIRP增加15.64 dB。由此得出，可以通过扩大作用区域以提高波束功率。

图6 (60°，45°)方向上扩大作用阵元区域

随着选通通道数量的增加，阵列天线口径也随之变大，导致波束特性发生变化，波束宽度变窄，波束增益提高，旁瓣电平升高。如图7所示。作用阵元由151增加到330时，波束3 dB宽度由6.14°减小到4.16°，波束增益由43.58 dB增加到50.37 dB，旁瓣电平由26.65 dB增加到34.51 dB。

图7 波束方向图对比

4 结束语

全空域数字多波束天线系统通过采用“空分多址+码分多址”[17]体制，同时完成针对多目标的测量和通信任务，可以极大地提升地面测控系统的工作能力。该系统代表了地面测控系统的主流发展趋势，是解决多目标管理的一种有效手段，将在未来地面测控系统中发挥重要所用。本文针对球面数字多波束天线的波束控制方面进行了研究，为地面测控系统的发展和建设提供了新的思路。

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肖 遥 女，(1991—)，硕士研究生。主要研究方向：卫星导航。

蔚保国 男，(1966—)，博士生导师，研究员。主要研究方向：卫星导航总体技术、航天测控技术、阵列信号处理技术和自动测试系统技术等。

Research on Beam Control of Spherical Digital Multi-beam Antenna in Hemispherical Coverage

XIAO Yao2,YU Bao-guo1,2,ZHAI Jiang-peng1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

In order to adapt to the requirements of navigation constellation management in hemispherical coverage,a solution of spherical digital multi-beam antenna system in hemispherical coverage is proposed.The multiple beams are formed in hemispherical coverage to realize simultaneous multi-target navigation.Aiming at the control of spherical array antennas beam,this paper proposes a “beam slip scanning” algorithm,and studies the method of beam cross-transition and power enhancement.The feasibility and correctness of the beam control method is verified by the simulation analysis of beam pattern.

hemispherical coverage;spherical array;digital multi-beam forming;beam control;array antenna

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.10

肖 遥,蔚保国,翟江鹏.全空域球面数字多波束天线波束控制方法研究[J].无线电工程,2017,47(3):39-42,74.

2016-12-06

国家自然科学基金资助项目(91638203)。

TN823

A

1003-3106(2017)03-0039-04