Ka/Ku频段多波束天线研究

杨 涛

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210014）

Ka/Ku频段多波束天线研究

杨 涛

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210014）

文章主要介绍Ka/Ku频段复合多波束天线，采用模拟多波束体制，通过4组移相器分别控制4个独立波束，实现4个波束实时跟踪卫星。实验证明，通过混合布阵减小天线尺寸，可在较小的空间内实现双频段。

多波束；双频段；天线；通信系统

1 概述

文章面向抗干扰多功能通信系统建设，研究了Ka/Ku频段复合多波束天线体系架构，突破双频段高集成天线系统设计技术、小型化多波束天线原理样机，为未来高速率多功能通信卫星收发系统研制打下基础。

2 总体方案设计

2.1 技术方案选择

多波束的实现方式包括数字多波束体制与模拟多波束体制，如图1所示。

数字多波束体制基于数字波束合成（Digital Beam Forming，DBF）形式，各个射频通道无需使用移相器件，不同波束指向可直接通过数字信号处理以及波束形成网络。理论上波束数量可根据算法无限扩展。模拟多波束体制主要基于针对波束数量扩充的移相通道数量，即移相器件的规模，形成方式较简单，但受限于器件数量、物理尺寸等因素，波束数量不具备可扩展性。两种体制在实际应用功能上无显著差异。

而此项目有效全向辐射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）和G/T值提出了高要求，必然导致天线单元数量、组件的通道数量极多，阵面规模巨大，对如此大规模的DBF实现提出了难题，因此采用移相器件为基础的模拟多波束体制。

双频段相控阵天线的共口面布阵，相对于一个频段设计一个阵面进行布局而言是合理利用阵面口径的最佳方案。本项目中采用收发阵分置一体化的方案，则采用Ka/Ku发射阵共口面，以及Ka/Ku接收阵共口面的形式。结合单元天线的间距、单元本身的物理尺寸，采取Ku低频段单元均匀布阵形式，并充分利用Ku低频段单元的间隙来排布Ka高频段单元，通过高效、快速的稀疏/稀布阵面设计算法，如方向图快速计算方法和综合算法，采用稀布阵形式排布Ka高频段单元。最终，通过两种形式的布阵形式相结合，实现双频段共口面混合布阵形式。混合布阵示意如图2所示。

图1 多波束体制

图2 多频段共口面混合布阵结构示意

2.2 阵列规模

2.2.1 发射阵列规模

根据Ka与Ku发射工作频段、发射通道输出功率性能、Ka稀疏布阵与Ku均匀布阵以及±60°扫描无栅瓣的要求，采用矩形布阵的Ku发射阵元间距为10 mm，在Ku阵元的间隙布局Ka阵元，发射阵列布局如图3所示。Ku单元共16个，每个单元对应2个Ku发射通道，共32通道；Ka单元共16个，每个单元对应1个Ka发射通道。

图3 天线布阵方式

2.2.2 接收阵列规模

根据Ka与Ku接收工作频段、Ka稀疏布阵与Ku均匀布阵以及±60°扫描无栅瓣的要求，采用矩形布阵的Ku发射阵元间距为12 mm，在Ku阵元的间隙布局Ka阵元，接收阵列布局如图4所示。Ku单元共16个，每个单元对应2个Ku接收通道，共32通道；Ka单元共16个，每个单元对应1个Ka接收通道。

2.2.3 波束扫描范围

（1）单波束扫描方向图。稀疏布阵的Ka发射天线单个发射波束扫描方向仿真结果如图5所示，覆盖±60°范围。

图4 接收天线布阵方式

图5 单个发射波束扫描方向

（2）波束扫描方向图。阵面同时形成不同指向的典型波束4扫描方向如图6所示，满足功能要求。

图6 4波束发射波束扫描方向

3 结语

文章主要介绍Ka/Ku频段复合多波束天线，采用模拟多波束体制，通过4组移相器分别控制4个独立波束，实现4个波束实时跟踪卫星。实验证明，通过混合布阵减小天线尺寸，可在较小的空间内实现双频段。

[1]李勇，戴明，常立新.一种Ka频段多波束天线设计研究[J].无线电工程，2012（8）：41-42.

[2]丁伟，陶啸.Ka频段宽带通信卫星多波束天线技术概述[J].空间电子技术，2015（5）：8-13.

Study on Ka/Ku band multibeam antenna

Yang Tao
（Nanjing Panda Handa Science and Techrology Co., Ltd., Nanjing 210014, China）

In this paper, Ka/Ku band composite multibeam antenna is introduced, which adopts an analog multibeam system to separately control four independent beams through four sets of phase shifter, and realizes four beam real-time tracking satellites. Experiments show that reducing the size of the antenna by hybrid array can realize the dual band in a small space.

multibeam; dual frequency section; antenna; communication system

杨涛（1984— ），男，山东莱芜人，工程师，硕士；研究方向：天线阻面。