楊 濤

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210014）

Ka/Ku頻段多波束天線研究

楊 濤

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210014）

文章主要介紹Ka/Ku頻段復合多波束天線，采用模擬多波束體制，通過4組移相器分別控制4個獨立波束，實現(xiàn)4個波束實時跟蹤衛(wèi)星。實驗證明，通過混合布陣減小天線尺寸，可在較小的空間內(nèi)實現(xiàn)雙頻段。

多波束；雙頻段；天線；通信系統(tǒng)

1 概述

文章面向抗干擾多功能通信系統(tǒng)建設，研究了Ka/Ku頻段復合多波束天線體系架構，突破雙頻段高集成天線系統(tǒng)設計技術、小型化多波束天線原理樣機，為未來高速率多功能通信衛(wèi)星收發(fā)系統(tǒng)研制打下基礎。

2 總體方案設計

2.1 技術方案選擇

多波束的實現(xiàn)方式包括數(shù)字多波束體制與模擬多波束體制，如圖1所示。

數(shù)字多波束體制基于數(shù)字波束合成（Digital Beam Forming，DBF）形式，各個射頻通道無需使用移相器件，不同波束指向可直接通過數(shù)字信號處理以及波束形成網(wǎng)絡。理論上波束數(shù)量可根據(jù)算法無限擴展。模擬多波束體制主要基于針對波束數(shù)量擴充的移相通道數(shù)量，即移相器件的規(guī)模，形成方式較簡單，但受限于器件數(shù)量、物理尺寸等因素，波束數(shù)量不具備可擴展性。兩種體制在實際應用功能上無顯著差異。

而此項目有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）和G/T值提出了高要求，必然導致天線單元數(shù)量、組件的通道數(shù)量極多，陣面規(guī)模巨大，對如此大規(guī)模的DBF實現(xiàn)提出了難題，因此采用移相器件為基礎的模擬多波束體制。

雙頻段相控陣天線的共口面布陣，相對于一個頻段設計一個陣面進行布局而言是合理利用陣面口徑的最佳方案。本項目中采用收發(fā)陣分置一體化的方案，則采用Ka/Ku發(fā)射陣共口面，以及Ka/Ku接收陣共口面的形式。結合單元天線的間距、單元本身的物理尺寸，采取Ku低頻段單元均勻布陣形式，并充分利用Ku低頻段單元的間隙來排布Ka高頻段單元，通過高效、快速的稀疏/稀布陣面設計算法，如方向圖快速計算方法和綜合算法，采用稀布陣形式排布Ka高頻段單元。最終，通過兩種形式的布陣形式相結合，實現(xiàn)雙頻段共口面混合布陣形式。混合布陣示意如圖2所示。

圖1 多波束體制

圖2 多頻段共口面混合布陣結構示意

2.2 陣列規(guī)模

2.2.1 發(fā)射陣列規(guī)模

根據(jù)Ka與Ku發(fā)射工作頻段、發(fā)射通道輸出功率性能、Ka稀疏布陣與Ku均勻布陣以及±60°掃描無柵瓣的要求，采用矩形布陣的Ku發(fā)射陣元間距為10 mm，在Ku陣元的間隙布局Ka陣元，發(fā)射陣列布局如圖3所示。Ku單元共16個，每個單元對應2個Ku發(fā)射通道，共32通道；Ka單元共16個，每個單元對應1個Ka發(fā)射通道。

圖3 天線布陣方式

2.2.2 接收陣列規(guī)模

根據(jù)Ka與Ku接收工作頻段、Ka稀疏布陣與Ku均勻布陣以及±60°掃描無柵瓣的要求，采用矩形布陣的Ku發(fā)射陣元間距為12 mm，在Ku陣元的間隙布局Ka陣元，接收陣列布局如圖4所示。Ku單元共16個，每個單元對應2個Ku接收通道，共32通道；Ka單元共16個，每個單元對應1個Ka接收通道。

2.2.3 波束掃描范圍

（1）單波束掃描方向圖。稀疏布陣的Ka發(fā)射天線單個發(fā)射波束掃描方向仿真結果如圖5所示，覆蓋±60°范圍。

圖4 接收天線布陣方式

圖5 單個發(fā)射波束掃描方向

（2）波束掃描方向圖。陣面同時形成不同指向的典型波束4掃描方向如圖6所示，滿足功能要求。

圖6 4波束發(fā)射波束掃描方向

3 結語

文章主要介紹Ka/Ku頻段復合多波束天線，采用模擬多波束體制，通過4組移相器分別控制4個獨立波束，實現(xiàn)4個波束實時跟蹤衛(wèi)星。實驗證明，通過混合布陣減小天線尺寸，可在較小的空間內(nèi)實現(xiàn)雙頻段。

[1]李勇，戴明，常立新.一種Ka頻段多波束天線設計研究[J].無線電工程，2012（8）：41-42.

[2]丁偉，陶嘯.Ka頻段寬帶通信衛(wèi)星多波束天線技術概述[J].空間電子技術，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

楊濤（1984— ），男，山東萊蕪人，工程師，碩士；研究方向：天線阻面。