中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 武 偉 韓國棟

美國第一代TDRSS多模天線分析

中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 武 偉 韓國棟

針對美國第一代TDRSS衛(wèi)星SMA天線，結(jié)合其星載系統(tǒng)所承載的能力，對SMA天線的性能指標(biāo)以及天線排布、形式進(jìn)行仿真模擬分析，仿真的結(jié)果顯示與文獻(xiàn)上給出的結(jié)果相吻合。本文研究的內(nèi)容可為后續(xù)的我國類似工程的開展提供技術(shù)支持和借鑒。

TDRSS；SMA；非周期排布；螺旋天線

1 引言

TDRS是充分利用太空的高空資源,把地面的測控及通信站搬到空間地球靜止軌道的衛(wèi)星上去。只要發(fā)射兩顆星,空間角位置上間距130度,便對所有軌道高度約1200公里至12000公里近地軌道飛行器可實現(xiàn)100%的連續(xù)跟蹤覆蓋,對軌道高度約200公里的飛行器,也可實現(xiàn)85%覆蓋。所有用戶飛行器、空間站核心站,可利用TDRSS中的任一顆進(jìn)行雙工通信。地球站通過TDRSS可間接與用戶星建立通信鏈路,借助TDRSS的中繼,地球站可對各用戶星測軌定位,可大量裁減陸地測控站、測量船,同時也減少建設(shè)、維修和操作費用。

本文依據(jù)外文資料,擬針對美國第一代TDRS中繼系統(tǒng)中SMA的多模天線進(jìn)行仿真分析,研究其功能實現(xiàn),波束覆蓋等問題,為我國類似項目的開展提供一定的借鑒。

2 TDRS天線布局設(shè)計

TDRS衛(wèi)星在工作時,用戶所使用的接收波束范圍,如圖1所示。

圖1 TDRS使用示意圖

可知,在TDRSS中繼星上相對于地球的視場范圍為：

TDRS相對于低軌衛(wèi)星的視場為：

在上述公式中,由于數(shù)據(jù)信息為估算值,故采用了近似的角度。在實際計算時,可以根據(jù)衛(wèi)星、地面站的具體位置給出較為精確的角度數(shù)值。另外比較重要的信息為衛(wèi)星上天線的指向相對于地球上地面終端的角度,定義和分別表示天線的法向相對于地面接收站的角度,其中：

圖2 角度指示圖

TDRS的SMA天線可以同時提供用戶20個獨立的波束。該天線由30個螺旋天線組成,分別固定在天線陣列骨架的表面。如圖3所示。其中,30個單元接收的信號分別發(fā)射傳輸?shù)降孛妾毩⒌慕邮招诺?在地面接收終端中,將不同用戶的信息利用波束形成算法(利用30個單元和TDRS到用戶的相位相關(guān)性)分別提取出來,波束形成算法全部在地面接收終端中完成。值得注意的是,30個通道之間的相位關(guān)系必須精確求出,以便計算移相器的移相碼形成所需的接收波束。

需要說明的是,在這30個單元中,有12個單元為收發(fā)雙工,剩余的18個單元為接收。該陣列的波束指向為天頂,在進(jìn)行布陣時,最大限度的考慮了天線單元之間的互耦,并也考慮了K頻段反射面天線對其的影響。天線單元增益為16dBi,重量6盎司。圖3中,綠色圓部分為螺旋天線,粉紅色的圓環(huán)為嵌入到陣列中的K頻段1.1米反射面天線。

圖4 模擬的單元方向圖

圖3 SMA天線單元排布

圖5 陣列合成兩維波瓣圖

圖6 陣列合成俯仰面波瓣

圖7 陣列合成方位面波瓣

在SMA陣列中,天線的排布并不是周期排列,而是每一個單元具有自己獨立的位置,與其他單元不相干。

3 性能分析

根據(jù)天線單元的位置關(guān)系,再輔以天線單元的方向圖就可以求出陣列的整體性能。在計算中,對天線單元的方向圖進(jìn)行模擬設(shè)計,模擬的單元波瓣約為27度,單元增益大約16dB(如圖4所示)。

對陣列的合成波束進(jìn)行仿真分析,首先計算SMA天線陣列30個單元合成時的法向波束,接著將會計算波束在指向白沙地面接收終端站時的性能,同時,還可計算出在陣中某一個單元的性能情況。

在計算時,考慮均勻的幅相分布,暫時不考慮幅相誤差,也沒有考慮陣中反射面天線對周圍天線性能的影響。此時陣列天線方位和俯仰面的波束寬度均大約為3度,陣面增益大約為30.5dB (如圖5-圖7所示)。

從目前TDRS第一代的相控陣的排布看,如果陣列要實現(xiàn)14度的掃描范圍,則其增益損失會比較嚴(yán)重,同時會引起柵瓣的產(chǎn)生,其波束指向精度會嚴(yán)重下降。此時天線增益下降大于3dB,在某些角度甚至出現(xiàn)更差的增益下降,同時柵瓣抬起,比主瓣方向性大5.5dB(如圖8-圖11所示)。

圖8 方位面掃描14度

圖9 方位面掃描14度二維波瓣

圖10 俯仰面掃描14度

圖11 俯仰面掃描14度二維波瓣

4 實物仿真分析

SMA陣列的天線單元為單繞螺旋天線,為左旋圓極化形式。在設(shè)計螺旋天線時,按照螺旋天線的設(shè)計原理,設(shè)頻率為2.2875GHz,首先假定天線單元的方向圖為：

則對于螺旋天線單元,上式中的x可以近似為：

則對于在法向時的天線輻射特性,遵照Hospital定理：

則在掃描角度內(nèi),天線的增益下降為：

依照前述的天線單元增益為16dB計算,則在半功率波束寬度時,天線單元的增益近似為13dB左右。

確定螺旋天線的環(huán)間距為S=16mm,環(huán)直徑為42mm,天線環(huán)數(shù)為39。仿真后天線單元的增益為16.1dB,波束寬度為26.8度。單元的形式與仿真后的波瓣圖,如圖12-圖14所示。

圖12 螺旋天線示意圖

圖13 單個螺旋天線以及輻射圖

圖14 左右旋圓極化信號比較

對天線單元進(jìn)行組陣分析,利用現(xiàn)有的軟件進(jìn)行實體建模,同時考慮在陣中有K波段反射面天線的放置時,對天線性能的影響。根據(jù)文獻(xiàn)資料可知,反射面天線直徑為1.1米,反射面深度為0.35米。

采用電磁仿真軟件對陣列法向輻射進(jìn)行仿真,陣列的天線增益為30.4dB,與前期仿真的30.5dB吻合的非常好,方位面和俯仰面的波瓣圖也與前期的Matlab仿真結(jié)果吻合很好,且可以看出,在法向時,反射面天線對其影響較小,與前期不考慮反射面影響時幾乎一致,如圖15-圖16所示。

圖15 帶有反射面的天線陣列模擬圖

圖16 方位和俯仰面面法向波瓣圖

5 結(jié)論

本文對美國TDRS的成功范例SMA陣面設(shè)計方法、天線單元形式等進(jìn)行了比較深入的剖析, 并對陣面排布進(jìn)行編程仿真, 得到了相應(yīng)的波瓣性能和指標(biāo), 與所得到的文獻(xiàn)中相關(guān)數(shù)據(jù)較好地吻合。希望結(jié)合國內(nèi)己有的有關(guān)文獻(xiàn)能對我國類似的研制工作有所裨益和借鑒。

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