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多波束天线

多波束天线综述

多波束天线（MBA———MultipleBeamAntenna）由于其能够高增益地覆盖较大的地面区域而且又能根据需要调整波束形状而得到深入研究和广泛于卫星通信系统。

多波束天线是能够同时产生多个子波束（点波束）,从而覆盖地面上所关心的区域的天线系统,根据不同的通信需要,子波束和总波束的关系大致可分为几种情况:

固定区域点波束覆盖,非固定区域点波束覆盖和赋形束覆盖。

多波束天线与传统天线不同，它只在指定的区域有较高的增益值，而在其他地方增益很低，所以能减少覆盖区域外地面站对多波束系统造成的干扰，提高系统的频谱利用率和信道容量，提供有效全辐射功率和接收系统品质因素G/T值，并使卫星地面站终端设备得到简化和降低成本。

另一方面，由于地球的曲率，卫星覆盖下的区域到达卫星的路径并不相等，星下点路径最短，远离星下点的区域路径较远，这就引起了远近效应的问题对于通信卫星系统而言，等通量覆盖是保证系统性能稳定的关键因素之一而这恰恰是多波束天线的优势因为多波束天线是通过几个高增益的窄波束合成一个等效的高增益宽波束，所以可以通过调整每个波束的增益大小，实现对地面的等通量覆盖。

（1）固定区域点波束覆盖：

固定区域点波束覆盖是指所有的点波束彼此独立地照射地面上不同的固定区域,总的波束则覆盖有关国家和地区,这种点波束方式往往用于同步卫星通信系统,近年来也应用于同步卫星通信系统,称为所谓“凝视天线”。

这种系统,当卫星移动时,天线始终照射着某一固定区域并保持波束覆盖图不变,直到该区域边缘的仰角小于最小仰角。

（2）赋形束覆盖

赋形束覆盖是指点波束在地面上相互迭加,得到的辐射方向图形成所需要的图形─赋形束,这种方式也往往用于同步卫星通信系统.赋形束的概念在二十多年前就提出来了,其天线由反射面和单个馈元或由少量的馈元组成的馈元阵组成（后者可以看成多波束天线）.任何形状的方向图都可以通过设计反射面的形状,在光学口面产生所需的振幅和相位分布来实现,而

反射面的形状的设计,可用几何光学或物理光学方法.这样得到的天线称为赋形天线.图2给出了采用口面综合设计的赋形反射面天线所得到的覆盖美国大陆的方向图[6].

（美国）

日本地图全貌

实现方向图调整,得到赋形束的另一方法是调整MBA的馈元阵各辐射元激励的相位和振幅[给出了日本电报电话公司研制的多波段卫星通信天线系统Ku波段覆盖日本全境的赋形方向图。

（（3）非固定区域点波束覆盖

非固定区域点波束覆盖是指所有点波束在3dB处彼此相互连接,总波束覆盖一定面积的区域,但覆盖区域随卫星的运动而移动.这种方式往往用于非同步（低,中轨）卫星通信系统.使用这种卫星通信系统,当地面终端由于卫星的运动（和由于地面终端本身的运动）从一个点波束下移动到另一个点波束下时,由于采用了波束切换技术,通信不会受到影响.图4给出了37个点波束覆盖的示意图,美国的Odyssey,欧洲航天局的MAGSS-14移动卫星通信系统就是采用这种37束的点波束覆盖.

MBA有三种基本类型:

反射式MBA,透射式MBA和直接辐射相控阵MBA.一般来说,反射式MBA和透射式MBA重量较轻,结构简单,设计技术比较成熟,因而最先得到广泛应用;相控阵MBA随着MMIC技术和固态功率放大技术的发展也应用于卫星天线.它具有一系列好于前二者的优点,如较高的口面效率,没有泄漏损失,没有口面遮挡,可靠性高等;然而其重量较重,结构和制造工艺复杂,以及功率损耗较高等缺点也是不容忽视的

当今反射面的发展在于结构高精度、成形反射面、再构形反射面以及二向色性多频段反射面的研究与开发，星上天线的再构形能力，无中间互调多波束成形网络的研制、MMIC技术，除此以外,为了减轻反射面的重量,对厘米波段采用薄壳技术;对毫米波、亚毫米波段,研究引入新材料或有源表面控制,以减轻重量和高频损耗;对于低频段,直径达20m的大型反射面必须采用可折叠的天线

2　反射式MBA和透射式MBA

反射式MBA和透射式MBA具有相似的结构,通常由聚束器件（反射镜或透镜）,初级辐射器阵列（喇叭或其他天线阵列）已及其他有关组件（如馈源阵相位振幅控制器（PAC）,束形成网络（BFN）等）组成,有多种类型:

—按聚束器件的数目可分为单口面式或多口面式;

—按初级辐射器的数目可分为单喇叭式或多喇叭式;

—按形成点束的方式可以分为基本成束法或增强型的成束法

因此,实际的MBA可能有多种组成方案,如单口面多喇叭反射式MBA,多口面多喇叭透射式MBA等等,基本目标是使最小覆盖区域（一个点波束内）的增益取极大值,同时兼顾低旁瓣和交叉极化电平的要求.以下着重阐述单口面设计和多口面设计、多喇叭阵列的基本成束法和增强型成束法以及反射式设计和透射式设计等几种最常用的类型的原理、结构、优缺点等有关问题。

2.1单口面设计和多口面设计

MBA的多个波束可以通过一个口面产生,也可以通过多个口面产生,分别称为单口面设计和多口面设计..研究表明,与单口面MBA相比,多口面MBA确实具有增益高,旁瓣电平低及抗干扰性能好的优点。

图5给出了单口面,三口面和四口面设计产生19个点波束的示意图.从图中可以看出,对单口面设计,所有的波束均是由同一个口面产生的,而对多口面设计,相邻的波束是通过不同的口面产生的.也就是说,同一口面产生的波束在地面是被其它口面产生的波束分隔开的.这样一来,对多口面设计,同一口面产生的波束的最小间隔（对应于两波束中心的距离或半功率宽度）就分别增加到单一口面时的3倍（对三口面）或2倍（对四口面）,如图所示.较大的束间隔使得我们可以扩大喇叭口径来减小泄漏,从而提高增益和改善旁瓣水平.加拿大的一个军事卫星通信系统采用了多口面MBA,用四个介电透镜实现了全球覆盖。

研究表明,尽管多口面MBA具有增益高,旁瓣电平低及抗干扰性能好的优点,但其结构复杂,质量重,加工制造和卫星发射方面的费用较高,还可能产生由于不同口面的瞄准误差不同所引起的覆盖失真.因此,在选择使用这两种设计时,必需综合考虑各方面的因素。

多口MBA的另一重要功能是提高卫星通信系统的频率利用率.例如,在图5（b）和（c）中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分别代表使用不同频率的小区,频率复用率分别为3、和4。

2.2多喇叭阵列的基本成束法和增强型成束法

正如上节所述,单口面多喇叭MBA的增益比多口面多喇叭MBA的增益低,但具有结构简单,重量轻,造价低的优点,因此仍然受到重视.本节主要分析比较单口面多喇叭MBA的两种成束方法.采用单口面多喇叭系统产生多波束有两种方法:

一种是比较简单的基本成束法,另一种是较为复杂的增强型成束法.图6给出了两种方法的示意图。

图6（a）所示的为基本成束法,其特点是每一波束来源于一个喇叭.这种设计的优点是结构简单,缺点是增益不高,通常要比单个喇叭时的优化峰值增益低2~3dB,这是因为要提高增益,就需要较大的喇叭口径,然而大的口径又使旁瓣水平和相邻束覆盖性能变坏.文献[14]研究了喇叭口径对天线特性的影响,指出要满足3dB的相邻束覆盖的要求将导致-19dB的高旁瓣水平;而要实现-30dB的低旁瓣水平设计又会产生-23dB的相邻束覆盖.因此,基本成束法不能同时满足低旁瓣水平和好的相邻束覆盖的要求。

增强型成束方法如图6（b）所示.每一波束是由一组喇叭产生,即每一波束是由一组喇叭中的每个喇叭产生的分波束。

迭加而成的复合束.例如波束2是由喇叭1,2,3,7,8,9,19所产生的分波束的迭加.这里,由六个喇叭（7,8,9,19,3,1）成圆环状绕一个喇叭

（2）组成的七元阵喇叭群是MBA常用的一种馈源阵.这种七元阵的优点在于它比基本成束法具有更多的自由度来调节优化MBA的各种性能.例如,它可以通过调节七元阵中处于圆周上的某些喇叭的振幅和相位在围绕中心束的360度方向上控制旁瓣水平,它可以通过改变各喇叭的激励来实现所需要的方向图以消除干扰和阻塞。

2.3反射式和透射式

MBA采用反射式设计还是透射式设计要按要求和所能实现的条件而定,目前两种设计都被应用.一般地说,多口面MBA较多地采用透镜式设计;单口面MBA既可采用反射式设计也可采用透射式设计.但是,文献[14]认为,对单口面MBA,透射式系统的重量至少是反射式系统的两倍,因而更多地采用反射镜式设计.反射式设计又多采用偏置结构.采用偏置结构,不仅避免了反射面对馈源的反作用,也避免了馈源对反射面的遮挡,有利于提高天线增益和降低旁瓣水平.但是由于采用了偏置,反射面必不对称,交叉极化电平会有所提高.反射面有抛物线型,双曲线型,赋型等.采用偏置双曲面镜作MBA,其缺点是口径较大,交叉极化电平较高,还有由于偏焦所引起的扫描束方向图畸变[18].目前应用较多的是辐射元置于焦面上的偏置抛物面反射镜和赋型反射镜。

2.4MBA设计

2.4.1一般原则：

在这种天线的设计中，首先要确定天线的几何参数，包括反射面的口径D、馈源高度h、焦距F、馈源尺寸、馈源阵尺寸等。

这些可以根据所要求的增益、副瓣电平、正交极化电平及交叠电平来决定，然后再确定馈源的激励系数。

多波束天线技术中,反射面天线的口径D、焦距F、喇叭尺寸以及馈源阵的排列、工作频率的选择等等,这些因素相互制约。

波束设计就是用一组合适的波束来覆盖服务区。

优化过程是在综合各种因素、兼顾不同需求的条件下,反复比较、筛选中完成的。

在天线设计及波束优化中需要考虑和满足下列要求:

·子波束指向星视地图上的指定位置。

·为使系统能正常运行,服务区内波束增益的起伏应控制在2dB左右。

·子波束交接电平的选择应兼顾上、下行工作频率及中心波束与边缘波束。

·高增益、低旁瓣和高波束效率的要求。

2.4.2反射面型式和口径D的选取

一般情况下,在用反射面天线实现多波束时,为了避免由于馈源阵尺寸庞大而造成的遮挡影响,天线采用偏置抛物面形式,馈源阵处于焦平面上。

在这种天线的设计中，首先要确定天线的几何参数，包括反射面的口径D、馈源高度

h、焦距F、馈源尺寸、馈源阵尺寸等。

这些可以根据所要求的增益、副瓣电平、正交极化

电平及交叠电平来决定，然后再确定馈源的激励系数。

MBA的设计和性能分析是复杂而繁琐的,需要反复迭代.但是若能给出一些简单的计算公式进行初步的估算是有益的.这里给出一个单口面MBA的例子:

首先,根据卫星高度和最低仰角要求可大致确定覆盖面积A（°）.而单反射面多喇叭MBA的喇叭总数N（也即点波束数）则决定于所覆盖的面积A（°）及口面直径与波长比（D/λ）,这里给出了一个计算公式：

对单抛物面反射式MBA,口面直径与波长比（D/λ）又依赖于半功率宽度Θo（°）和峰值旁瓣水平SL（-dB）。

这里给出了一个计算公式:

其中,D为天线口径;SL为副瓣电平（-dB）;θ3dB表示3dB波束宽度（°）。

通过这两个关系式,可以确定任意两个量,例如给定A（°）、SL（-dB）和Θo（°）,可确定N和D。

焦距F通常选择为口径D的0·8~1·7倍，较大的F/D值使MBA有较好的扫描性能和交叉极化水平.这样就得到了MBA的基本参量。

3直接辐射相控阵MBA

直接辐射相控阵天线应用于MBA原来一直受到束形成网络（BFN）结构复杂,损耗大,重量重和造价高等条件的限制.随着MMIC（单片微波集成电路）技术的进展,固态功率放大器,低噪声功率放大器等有源器件都可以作到辐射元的水平上,这就为有源相控阵用于MBA创造了条件。

有两种基本形式的相控阵MBA。

一种是单片法（monolithicapproach）,它是把整个阵或子阵都集成在单块芯片上。

另一种是混合单片法（hybridmonolithicapproach），它把制作在不同芯片上的天线阵或子阵组合在一起.混合单片法更有能效地使用天线辐射口面，因而得到更广泛的运用。

混合单片法又可分为砖式结构和瓦式结构,如图7所示[22]。

在图7（a）中,MMIC模块是垂直于天线辐射口面的,它应用天线阵的深度来安排MMIC电路.在图7（b）中,一些MMIC模块及其RF.混合和信号分配网络集成成一行（或一列或一个子阵）,但是这些器件仍然是垂直于天线辐射口面的，因而仍然是砖式结构。

在图7（c）中,有源器件和分配网络集成在天线辐射口面背后并与之平行的薄层中.这种结构由于应用了高密度集成技术实现了体积,重量和成本的降低.图8是一个典型的瓦式结构的剖面图,它采用微带-缝偶合的腔基圆贴片作辐射元。

用这样的16个辐射元组成的相控子阵,工作在29·6GHz,大小为3·2×3·2×0·75cm3,增益5dB,EIRP可实现75W.把N个这样的子阵联结到一个具有RF/DC/LOGIC的母板上,EIRP可按N2倍数增加。

相控阵MBA的辐射元一般是印制在衬底上的贴片,缝隙或带缝隙的贴片.辐射元可排列成三角点阵或矩形点阵；相位子阵也可按三角方式或矩形方式或其他形式排列。

辐射元间距和子阵元间距决定于工作波长。

把两种不同间距的辐射元迭加制作在同一个辐射口面上，可实现收发频率不同时的收发共用天线。

图9给出了一个双频微带天线的示意图，其中，接收（L波段）元间距为1·25λ，发射（S波段）元间距为1·1λ。

4　多波束天线的设计

4.1一般原则：

多波束天线技术中,反射面天线的口径D、焦距F、喇叭尺寸以及馈源阵的排列、工作频率的选择等等,这些因素相互制约。

波束设计就是用一组合适的波束来覆盖服务区。

优化过程是在综合各种因素、兼顾不同需求的条件下,反复比较、筛选中完成的。

在天线设计及波束优化中需要考虑和满足下列要求:

·子波束指向星视地图上的指定位置。

·为使系统能正常运行,服务区内波束增益的起伏应控制在2dB左右。

·子波束交接电平的选择应兼顾上、下行工作频率及中心波束与边缘波束。

·高增益、低旁瓣和高波束效率的要求。

4.2反射面型式和口径D的选取

一般情况下,在用反射面天线实现多波束时,为了避免由于馈源阵尺寸庞大而造成的遮挡影响,天线采用偏置抛物面形式,馈源阵处于焦平面上。

天线口径D的大小取决于子波束的波束宽度和副瓣电平要求，其关系式如下：

其中,D为天线口径;SL为副瓣电平（-dB）;θ3dB表示3dB波束宽度（°）。

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