一种解决卫星地面站对邻星干扰的新方法*

周 涛

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引 言

同步轨道卫星通信技术是世界上最重要的通信手段之一，承担卫星广播电视、数据通信等多种业务，因其具有传输容量大、实时性高、通信覆盖地域广等优点，为世界各国广泛应用。目前，世界上使用的同步轨道卫星通信频段主要有C频段、X频段、Ku频段和Ka频段，其中，Ku频段应用最广泛，卫星轨道分布基本达到饱和程度，轨道密度很大。

Ku频段同步轨道卫星通过卫星地面站形成全球性的通信网络。卫星地面站天线一般采用抛物面天线实现，随着天线技术的发展，有源相控阵天线成为未来卫星地面站天线发展的方向。有源相控阵天线具有结构紧凑、波束控制灵活等特点，在小型地面站上已广泛应用，将来，也必将应用到大型卫星通信中心节点站或广播电视卫星地面站。

在大型地面站中应用有源相控阵天线，可采用波束控制技术，在有效方向形成高增益波束，在其它方向，特别是指向邻星的方向上，应用零陷技术形成极高的波束抑制，有效避免对邻星的干扰。

1 我国上空卫星分布

根据现有资料，目前，我国上空可见的Ku频段同步轨道卫星共36颗，轨道覆盖51°～163°，其中，我国卫星共21颗，详见表1。这些卫星中，大部分轨道间距很近，甚至在同一轨道位置上有2到3颗卫星共存，卫星之间通过划分极化和工作频段等方式实现互不影响。

由于同步轨道上的通信卫星使用相同的通信频段，当卫星排列较密，而地球站天线波束较宽时，将会出现较为严重的邻星干扰[1]。为避免干扰邻星，国际电信联盟无线电通信部门（International Telecommunication Union-Radiocommunications Sector，ITU-R）对地面站天线辐射特性以建议书形式进行了规定。其中，建议书ITU-R S.465-6、ITU-R S.580-6、ITU-R S.1855等对地面站天线旁瓣特性进行了约束。通过约束天线旁瓣，避免了地面站天线对邻星的干扰，保证了卫星频率资源和轨道资源的高效利用[2]。

但这种约束限制了卫星地面站的辐射功率，当需要更大的主瓣输出功率时，天线旁瓣信号的功率随之增大，提高了干扰邻星的可能性。采用阵列天线的零陷技术，可在邻星方向形成较大的波束抑制，降低了对系统输出功率的限制。

2 相控阵天线零陷技术

相控阵天线由多个天线辐射单元组成，通过相位控制技术形成较高的空间合成功率。相控阵天线普遍采用微带线馈阵列天线、固态功放、大规模集成电路、高速计算机等先进技术[3]。相控阵天线系统基本结构如图1所示。

图1中，相控阵采用T/R组件实现收发共用，通过移相器实现波束控制，接收信号通过波束合成送入接收设备进行处理，发射信号通过信号分配器分路，送入各发射单元。通过调节各移相器工作参数，可实现相控阵天线波束指向、零点位置等。

表1 我国可视Ku频段同步轨道卫星

图1 典型有源相控阵组成

调零技术是根据指定方位角度的不同，通过调整移相器，使相控阵形成一个对准期望目标卫星的窄主波束，其它方向形成对准邻近卫星的增益零陷，达到对目标卫星正常收发，对邻近卫星方向无信号输出的目的[4]。一般常用开环正交投影法设计零点角度。设空间有P个独立不相关的方向，a0=a（θ0,φ0）为期望信号方向矢量，a1,a2,…,ap为非期望信号方向矢量。要使信号在期望方向最大接收，在非期望信号方向形成抑制，则加权因子W要求满足：

由上式可看出，加权因子W垂直于由矢量a1,a2,…,ap所张成的空间U（即W属于非期望方向矢量的补空间）。

由投影定理可知:给定希尔伯特空间H中的子空间U和矢量x，在U中必有唯一矢量PUx，使得对U中的任何矢量y均有：

PUx称为x在U中的投影矢量。换句话说，由x-PUx张成的一维子空间与子空间U正交。因为PUx在子空间｛u｝中，所以可写成：PUx=αu其中α为待定系数。根据投影定理有：

将上述理论推广到一般情况。根据投影定理，矢量X到由u1,u2,…,um所张成的子空间U的投影为PUx。同理，矢量投影到U的投影矩阵为：

PU⊥为矢量投影到与U正交的子空间的投影矩阵。

所以矢量x对U（由u1,…,um所张成的子空间）的正交投影矢量为：

基于以上技术原理，得到零陷形成加权系数的设计方法。首先根据需求设计最大接收方向所需的加权系数 WQ，确定非期望方向 θ1,θ2,…,θp投影到子空间的补空间PU⊥，计算合成以后的零点抑制幅度加权系数W∈PU⊥WQ。

3 系统设计及仿真分析

某试验系统中设计了一种大型、高功率地面站卫星天线，该天线采用有源相控阵技术体制，阵列天线口径为5 m，输出功率不小于90 dBW。阵列天线波束仿真如图2所示，主波束近轴方向图如图3所示。

图2 天线宽角方向图

图3 天线近轴方向图

天线主瓣波束宽度为0.2°，天线各旁瓣抑制特性见表2。

表2 天线旁瓣波束抑制

根据国际电信联盟的规定，至少90%的天线旁瓣输出功率应低于主瓣功率10 dBi。从表2中可以看出，试验系统天线的第一旁瓣抑制为17.44 dBi，优于国际电信联盟规定数值。

通过与典型卫星通信终端工作参数对比，能够得到系统天线旁瓣是否会造成干扰。典型卫星通信终端工作参数见表3。

表3 典型卫星通信终端工作参数

系统第一旁瓣等效输出功率为72.56 dB，超过典型卫通终端的等效辐射功率，可能会造成干扰。这是因为系统等效辐射功率总体偏大，使得第一旁瓣在高抑制比条件下，仍然超过要求。

根据零陷原理进行仿真，假设阵列天线法线对准目标卫星方向，主波束指向为（0°，0°），邻近卫星方向分别为（10°，0°）、（-10°，0°），在2个邻近卫星位置设计零点，调零波束仿真如图4、图5所示。

由仿真结果可知，在设定零点方向形成抑制约70 dB，综合实际的对星准确度和工程实现等问题，可实现不小于50 dB的抑制。如将零点设计在第一旁瓣处，等效输出功率降为22.56 dB，不会对卫星通信造成影响，解决了对邻星的干扰问题。

图4 天线波束零陷仿真

图5 天线波束零陷仿真（局部放大）

4 结 语

有源相控阵天线技术是一种快速发展的技术，在卫星通信领域有很好的发展前景，应用阵列天线的零陷技术，可有效解决对邻星的干扰问题，对于大功率卫星地面站的设计，具有较好的参考价值。但在工程应用中，还有一些具体实现问题需要解决，比如，在不同的地理位置建站，天线对星俯仰角度不同，需要根据具体情况计算相应的零陷角度；当卫星发生漂移时，也需要相应的调整零陷角度。