X波段高隔离度双信道多波束天线系统实现

王 磊，周国印，黄华东，汪进军

(1.武汉中原电子集团有限公司研发中心，湖北 武汉 430205；2.北京特种车辆研究所，北京 100072)

0 引言

多波束天线是应现代通信容量的快速增长及多目标区域通信的发展需求而出现的[1]，能同时或按时序产生多个波束[2-3]。在通信系统中，多波束天线阵列能够应用在时常变化的无线环境中，有效对抗多径衰落现象[4]，可以改变零陷所指方向来减少干扰，可以把主瓣指向需要的用户从而减少能量消耗，也可以通过波束切换来提供更大的波束覆盖[5]，而其空间分集特性也能改善信噪比、维持高数据传输率、提高信道容量[6]。

天线多波束的形成方式可以是天线本身，例如可重构天线[7-8]，也可以是波束形成网络[9]。波束形成网络可以通过1个或者多个端口输入，在多个输出端口依次产生相等的相位差[10]，从而使得波束指向改变来实现多波束。形成多波束系统的网络主要有2类：一类采用电路方式，例如 Butler 矩阵[11-12]、Nolen 矩阵、T/R 组件构成的相控阵[13-14]，以及 PIN 或 MEMS 构成的开关电路网络[15]；另一类采用准光学的方式实现，例如 R-KR 透镜、Ruze 透镜、Rotman 透镜和反射面等方式[16-17]。对于光学实现方式来说，透镜或反射面的尺寸过大，加工复杂，而其优点在于可以实现多个波束、带宽宽。Butler 矩阵和 Nolen 矩阵等矩阵网络的优点在于电路实现方便、成本低，而缺点在于形成波束数量有限、各个端口电路之间可能形成交叉[18]。T/R 组件构成的相控阵对天线方向图控制方式灵活，可以满足各种方向图要求，缺点在于移相器位数有限、制作复杂且成本昂贵[19]。PIN 或 MEMS 开关电路实现多波束数量有限、不灵活，但因其实现方便且造价低，适合大规模应用[20-21]。

X波段多波束天线系统采用开关切换来实现快速多波束，利用圆柱共形布局实现方位360°覆盖，当环境发生改变时，天线能够自动切换波束对准。信令信号与业务信号采用独立双信道结构，进行频率规划并预留足够宽频率间隔。全向/定向天线隔离度较高，信令信道与业务信道相互不干扰，可以实现快速节点更新与高速率业务传输。

1 应用场景

X波段通信系统可组成独立的通信系统，系统的作战单元主体涵盖坦克车、导弹发射车、无人车和无人机等，应用于营级及以下编制，其3个典型应用场景如图1所示。

图1 3种典型作战场景

在通用作战场景中，网内包含多个子网，每个子网随作战需求差异而形态各异，子网间耦合关系复杂。这就要求通信网络在距离远的节点间能满足系统最低通信速率要求，距离近的节点间能形成高速业务通道。

在突击场景中，2～3个侦察子网节点处于战场前端，形成链状，战场后端是通用作战网络。这就要求侦察节点探测的目标信息能迅速地扩散至所有可以实施攻击的节点，即要求网络传输时延尽量短。

在关键节点场景中，2～4个运动子网处于劣势位置无法直接通信，有一个优势节点存在于子网1中，能为劣势位置子网提供高速数据链路，并把劣势位置子网信息传输到全网中。这种网络为一对多点的星状网络，要求关键节点具有高容量、灵活分配资源的能力。

3种典型作战场景对通信节点提出以下要求：邻居节点发现快、传输时延小及传输速率自适应。

2 系统架构

针对作战应用环境对战术通信设备提出严苛要求，在系统硬件架构上采取信令/业务独立双信道，专用信令信道利用全向天线负责节点进退网、邻居节点发现、拓扑更新与维护等工作，专用业务信道利用分区定向天线实现方位快速多波束系统，满足节点覆盖要求。

2.1 双信道结构

根据系统网络规划，设备采用双信道结构工作，双信道同时工作时，彼此可能会干扰对方工作。因此合理规划信道工作频点以及信道结构是保证设备能正常工作的前提和基础。

如图2所示，系统要求信令信道发射时，同一时刻，对业务信道接收不产生影响，相反状态也如此，因此必须要求2个信道的隔离度应足够大。

图2 双信道结构

要保证发射机工作时不影响接收机正常工作，则系统设计应坚持以下2个原则：

① 由发射机引起的落在接收频点f2上的边带噪声功率电平应小于接收机输入端等效基底噪声10 dB(对应信噪比恶化0.4 dB)以上，不影响接收机的灵敏度指标。

② 发射机输出主功率信号通过空间耦合到接收机输入端的信号电平不应使接收机前端电路饱和，恶化接收机噪声系数，进而降低接收机灵敏度指标。

为了满足原则①可以采用以下措施：

① 增大双信道收发频点之间的间隔Δf。Δf越大，发射机输出的边带噪声受发射机功放非线性的影响越小，若Δf足够大，一方面可以认为发射机输出的边带噪声功率仅仅由发射链路的噪声系数和增益决定；另一方面可以通过在发射机链路上增加滤波器来减弱发射机的边带噪声功率。

② 增大双信道收发天线的隔离度。在发射机边带噪声功率一定的条件下，收发天线的隔离度越高，则落入到接收机上的干扰噪声就越小。提高收发天线的隔离度可以通过增大收发天线间的距离来实现。

为了满足原则②可以采用以下措施：

① 增大双信道收发天线的隔离度。增大隔离度，可以减小发射机主用信号耦合到接收机输入端的功率电平。

② 增大双信道收发频点之间的间隔Δf。通过接收机输入端的滤波器来滤除发射机的主用信号，从而减小主功率信号对接收机的影响。

③ 提高接收机前端电路的IIP3值，增强对强干扰信号的适应能力。

综上分析，为了保证双信道系统正常工作，需要以下保障条件：双信道收发频点之间的间隔Δf应足够大；双信道收发天线的隔离度应足够高；接收机的IIP3值尽量高。

2.2 多波束天线

业务信道通过高隔离度、快速切换开关及分区天线实现快速切换定向多波束天线。定向天线增益可达12～13 dBi，通过快速切换技术，实现智能化全向覆盖，提高宽带数据定向传输的移动性。

2.2.1 高增益多波束天线

微带天线单元的增益一般只有6～8 dB，为了增强天线的方向性，提高天线的增益，得到所需要的辐射特性，把若干个相同的天线按一定的规律排列起来，并给予适当的激励，这样组成的天线系统称为天线阵。

采用平板阵列天线，既要满足天线的方向性、高增益，以得到所需要的辐射特性，通过合理阵元的类型、数目、排列方式、阵元间距以及阵元上电流的幅度和相位分布、反射板形状及单元离反射板的高度等参数平衡，实现高增益、小体积和轻重量；同时，通过极化设计，避免移动通信中天线摆动影响极化方向，提高传输效率，其应用前景广阔。

2.2.2 高隔离度、快速切换多掷开关

通过单刀多掷开关实现高功率、快速切换、低插损和高隔离度，降低天线与信道互连复杂度，实现360°全向覆盖。快速切换为数据传输提高了传输效率，从物理硬件中释放出来提升网络传输能力。所以，前端开关网络解决了多波束天线在形态适应性、物理传输自由度、网络高效性等方面的技术难题。

2.3 硬件体系架构

X波段双信道多波束天线如图3所示。顶部全向天线为一个独立信道，负责信令收发。底部8个定向天线共用一个信道，负责业务收发，通过PIN切换开关实现方位面定向多波束，满足方位面360°全向覆盖要求。

图3 多波束天线

3 全向天线设计

全向天线为了适应装车使用环境，设备体积不宜过大，因此应尽量减小发射机的输出功率，鉴于此，系统天线必须满足高增益的要求。

综合应用需求和工程可实现性，天线采用同轴开槽天线方案。全向天线实物如图4所示。

图4 全向天线实物

仿真与测试的天线驻波系数如图5所示，频带内均小于1.5。仿真与测试的天线增益如图6所示，频带内增益大于6 dBi。全向天线三维方向图如图7所示，图8和图9分别为俯仰面与方位面方向图，仿真与测试吻合良好，俯仰面波束宽度约20°，方位面不圆度优于0.2 dB，具有良好的高增益与全向特性。全向天线频带内增益、波束宽度与不圆度如表1所示。

图5 仿真与测试的天线驻波系数

图6 仿真与测试的天线增益

图7 天线三维方向图

图8 天线俯仰面方向图

图9 天线方位面方向图

表1 全向天线增益、波束宽度和不圆度

4 定向天线设计

分区定向天线结合快速切换PIN开关实现多波束天线。为了实现简洁紧凑样机，天线方位面设计为波束宽度约45°的宽波束，同时为了满足颠簸路面使用要求，俯仰面波束宽度约30°。

采用2×2规模的单点探针馈电微带阵列天线实现所需的带宽和波束宽度，天线实物如图10所示。仿真与测试驻波如图11所示，频带内小于1.8。天线三维方向图如图12所示，俯仰面与方位面方向图如图13和图14所示，测试与仿真吻合良好，频带内定向天线增益大于12 dBi，波束宽度满足系统需求。定向天线频带内性能如表2所示。

图10 定向天线实物

图11 天线驻波

图12 天线三维方向图

图13 俯仰面辐射方向图

图14 方位面辐射方向图

表2 定向天线增益和波束宽度

5 天线隔离度

在双信道结构论证中明确了收发天线高隔离度是保证双信道系统正常工作的3个关键条件之一，对信令信道全向天线与业务信道定向天线隔离度进行仿真与测试。

5.1 隔离度测试

天线隔离度测试场景如图15所示。为了尽量与实际安装使用环境类似，测试过程中将全向天线架高，放置在1 m×1 m铁板的中心，架高高度为h，定向天线放置在铁板上，与全向天线在水平面的距离为d，全向天线放在第1面和第8面定向天线中间的方位。

图15 天线隔离度测试场景

天线隔离度测试步骤如下：首先测量2根馈电同轴线的损耗；然后发射天线通过同轴线接信号源，信号源信号强度设置为10 dBm；最后将接收天线通过同轴线接频谱仪，频谱仪读数加上2根同轴电缆的总差损减去10即为2个天线的空间隔离度。

由于全向天线与定向天线安装环境不同，引起的多径效应存在差异，对全向天线发射定向天线接收(全发定收)与定向天线发射全向天线接收(定法全收)2种隔离度测试，结果如表3、表4和表5所示。

表3 天线隔离度(h=1 m，d=0.2 m) (dB)

表4 天线隔离度(h=1.5 m，d=0.2 m) (dB)

表5 天线隔离度(h=1.5 m，d=0.6 m) (dB)

通过表3、表4和表5可以得出如下结论：全向/定向天线高度差越大，隔离度越大；水平面距离越小，隔离度越大；定向天线发射全向天线接收时的隔离度大于全向天线发射定向天线接收时的隔离度。

5.2 仿真与测试对比

测试数据与仿真数据对比结果如图16所示。

图16 天线仿真与测试隔离度

由图16可知，天线隔离度典型值优于70 dB，并且，测试隔离度波动范围明显高于仿真隔离度；测试隔离度整体高于仿真隔离度；仿真隔离度的范围一定程度上体现了测试隔离度的下限。

分析造成上述情况的原因是多径引起的。假设有一条辅径，当辅径与主径大体等幅度同相位时，多径造成隔离度的下降最多3 dB；当辅径与主径幅度大体相等，但是反相位时，多径可大幅度提高隔离度，甚至达几十个dB。

6 结束语

采用信令与业务分开的双信道结构是实现战术通信系统高速率、快响应的重要技术途径。基于快速切换PIN开关的分区定向天线是形成多波束天线的重要手段。

全向天线采取同轴开槽方案，全向性能良好，频带内增益大于6 dBi，方位不圆度优于0.2 dB。基于单点馈电开发了2×2规模的微带阵列，较好兼顾了增益与波束宽度，频带内增益大于12 dB，方位与俯仰波束宽度约45°与30°实现了样机紧凑化。仿真并测试分析了全向/定向天线隔离度，验证了双信道设计理论的有效性，也进一步论证了整机良好的电气性能。基于双信道的多波束整机，在实际测试与试验中具备良好通信效果，较好地满足了复杂地形地貌的通信需求。