邵世達(dá),萬繼響

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

距離第一次成功發(fā)射人造地球衛(wèi)星,時(shí)間跨度已經(jīng)有六十多年,在這期間,與之相關(guān)的技術(shù)飛速發(fā)展,各式各樣,能實(shí)現(xiàn)各種功能的衛(wèi)星層出不窮。 近年來,小衛(wèi)星逐漸成為一個(gè)比較熱門的研究方向。它有著體積小、重量輕、研發(fā)成本和發(fā)射成本低、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)[1],同時(shí)比較容易實(shí)現(xiàn)低軌星座組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)通信功能。

天線是實(shí)現(xiàn)通信功能不可缺少的組成部分。 由于其復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò),高成本和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),傳統(tǒng)的相控陣天線并不適合應(yīng)用于小衛(wèi)星。 方向回溯天線是一種較為新型的天線,它有著成本低,結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn),它具有自動追蹤波束的能力,無需知道來波信號的方向。 因此,相較于相控陣天線,方向回溯天線無需數(shù)字電路,也不需要進(jìn)行復(fù)雜的信號處理,具有更快的反應(yīng)速度,適用于小衛(wèi)星星間鏈路。 因而對方向回溯天線的研究具有重要意義。

1 方向回溯天線分類

角反射器是最原始的實(shí)現(xiàn)方向回溯功能的形式,它是由多個(gè)相互垂直的金屬板構(gòu)成的一個(gè)立體結(jié)構(gòu)。 信號沿某個(gè)方向入射到角反射器后,會按照Snell 定律在多個(gè)面進(jìn)行多次反射,最終沿與來波相反的方向反射回去,如圖1 所示。

角反射器很難對回溯的信號進(jìn)行處理,同時(shí)其電尺寸結(jié)構(gòu)偏大,很難集成,角反射器已被廣泛用于需要增加雷達(dá)反射橫截面的應(yīng)用中,最常見的一個(gè)應(yīng)用就是安裝在船的桅桿上。 然而,角反射器只是一個(gè)實(shí)現(xiàn)回溯功能的結(jié)構(gòu),并不能將之歸類為常規(guī)意義上的天線,接下來將介紹幾種常見的方向回溯天線陣列形式。

1.1 Van Atta 陣

1959 年Van Atta 提出了由多個(gè)與天線陣中心距離相等的天線對組成的Van Atta 陣列天線[2]。 如圖2 所示,其中每對天線使用等長的傳輸線連接,從而獲得相同的相位延遲來實(shí)現(xiàn)相位共軛。 當(dāng)其中一個(gè)天線單元接收到信號時(shí),與之相連接的天線則會把信號發(fā)送回去。

Van Atta 陣列具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn),此外,天線的帶寬與單元帶寬成正相關(guān),使用寬頻帶單元組成的陣列天線便可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶回溯功能。 但是,Van Atta 陣列只能回溯平面波,且很難與電子系統(tǒng)共形,這極大地限制了它的應(yīng)用范圍。

無源Van Atta 陣的回溯場強(qiáng)度很低,上世紀(jì)六十年代,Hansen 提出在傳輸線上增加放大器的方法來增強(qiáng)回溯場的強(qiáng)度[3]。

圖3 帶有雙向放大器的Van Atta 陣Fig.3 Van Atta array with bidirectional amplifiers

1.2 共軛混頻陣列

1964 年,Pon 采用外差混頻技術(shù)來完成相位共軛進(jìn)而實(shí)現(xiàn)方向回溯功能[4],如圖4 所示。 這也是目前采用最廣泛的形式。 與 Van Atta 陣相比,這種技術(shù)不僅能回溯平面波,也可以對非平面波進(jìn)行回溯。

圖4 相位共軛陣示意圖Fig.4 The schematic diagram of phase conjugate array

1.2.1 相位共軛原理[5]

N 元陣列天線按照圖5 所示排布,第i個(gè)陣元離參考波前的距離表示為分別為第i個(gè)單元端口的接收和發(fā)射信號的相位,Δφi為第i路的延遲相位,β為相位常數(shù)。 不同陣元之間的相位關(guān)系已經(jīng)在圖中表示。

圖5 不同的平面上陣元間的相位關(guān)系Fig.5 Phase relationship between array elements on different planes

假設(shè)入射波前為參考相位,φref=0,第i個(gè)陣元端口接收相位,通過移相 Δφi后在第i個(gè)陣元輸出端口的相位=-(βLi+Δφi),經(jīng)過天線輻射到達(dá)入射波前,其相位為:-(2βLi+Δφi),為了實(shí)現(xiàn)方向回溯功能,入射波前和發(fā)射波前應(yīng)該重合,即:

對Δφi求解式(1)得:

那么第i陣元輸出端口的相位為:

第i陣元端口收發(fā)相位滿足式(4),這正是方向回溯天線陣所需的相位共軛條件式。

由此可見,只要滿足Δφi=-2βLi的移相功能,天線陣就能實(shí)現(xiàn)方向回溯功能。

1.2.2 共軛混頻陣常見實(shí)現(xiàn)形式

共軛混頻陣的實(shí)現(xiàn)形式一般有兩種:

1)射頻混頻

如圖6 所示,本振信號(LO)是射頻(RF)信號頻率的兩倍時(shí),混頻后的信號有與射頻信號同頻率的信號分量,再經(jīng)過頻率為ω低通濾波器濾除上邊帶信號,就可以得到頻率與原信號相同,但相位共軛的信號。

圖6 射頻混頻原理圖Fig.6 The schematic diagram of radio frequency(RF)mixing

射頻混頻會出現(xiàn)射頻泄露的問題,信號直接從輸入端泄露進(jìn)入輸出端,其頻率和IF 信號相同,但相位和來波不是共軛的,會按照Snell 定律再次輻射出去,所以射頻混頻對混頻器的隔離度要求很高。另外,雖然射頻混頻成本相對比較低,但它要求本振是來波信號頻率的兩倍,這在來波信號頻率較高時(shí)不易實(shí)現(xiàn),所以需要采用其他方法解決,比如采用次諧波混頻技術(shù)。

2)中頻混頻

如圖7 所示,中頻混頻也叫二次混頻,可以用來降低對高頻本振的要求。 接收的信號先經(jīng)過高本振進(jìn)行下變頻后得到中頻信號,再過濾掉上邊帶信號,中頻信號與低本振信號進(jìn)行上變頻到射頻。 經(jīng)過帶通濾波器后得到射頻信號,此信號與來波信號共軛。

圖7 中頻混頻原理圖Fig.7 The schematic diagram of IF mixing

中頻混頻采用了兩個(gè)混頻器,成本較高, 使用無源混頻器可能導(dǎo)致衰減過高,而有源混頻器則可能會增加噪聲。 要實(shí)現(xiàn)通信功能,一種實(shí)現(xiàn)全雙工通信的方法是在通路中引入功分器或者耦合器使輸入信號分為兩路,一路提供不間斷載波,另外一路進(jìn)行調(diào)制解調(diào)等處理。

1.2.3 共軛混頻技術(shù)的研究進(jìn)展

2002 年Leong 采用額外的一副天線進(jìn)行二倍頻[6]獲得陣列的 LO 信號,如圖8 所示。 這樣處理的優(yōu)點(diǎn)是無需知道來波頻率,系統(tǒng)有更高的自由度。這是對共軛混頻陣列的補(bǔ)充和完善。

圖8 自定頻陣列原理圖Fig.8 The schematic diagram of frequency autonomous array

2005 年,Leong 等人[7]提出了具有接收和發(fā)射兩種模式的可重構(gòu)方向回溯陣列,這是一種半雙工結(jié)構(gòu)。 這種可重構(gòu)方向回溯陣列可以進(jìn)行精確的跟蹤并具有數(shù)據(jù)處理的功能。

圖9 可重構(gòu)方向回溯陣列的示意圖Fig.9 The schematic diagram of adaptive power controllable retro-directive array

2004 年,Leong 等人提出了一種全雙工反向陣列系統(tǒng)的新架構(gòu)[8],如圖10 所示。

圖10 AM 檢波限幅陣列原理圖Fig.10 The schematic diagram of AM diode detector receiver

該天線完全依賴于高速模擬電路進(jìn)行信號處理和載波恢復(fù)。 它采用AM 調(diào)制信號。 接收到的信號分為兩路,一路通過AM 檢波器處理得到信息,另一路將信號傳遞通過電壓限幅器電路來實(shí)現(xiàn)調(diào)制消除和載波恢復(fù)。 然后可以將恢復(fù)的載波相位共軛并重新調(diào)制以進(jìn)行全雙工通信。 這個(gè)系統(tǒng)還使用了自定頻陣列的概念。 這種陣列雖然實(shí)現(xiàn)了全雙工通信,但限制信號形式為AM 波,實(shí)際應(yīng)用較為困難。

2011 年,Chiu 等人[9]提出了一種相位共軛陣列,該陣列能夠向源信號的方向發(fā)送兩個(gè)單獨(dú)調(diào)制的信號,每個(gè)陣列元件都是雙饋貼片,其中一個(gè)輸入端口連接到90°相移元件并具有電阻場效應(yīng)晶體管(FET)混頻器和另一個(gè)單獨(dú)調(diào)整混頻器,使陣列成為平衡結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了采用相同陣列的有源集成直接轉(zhuǎn)換接收器,以接收和解調(diào)來自相位共軛陣列的響應(yīng)信號。

2010 年,CHEN Lei 等人[10]設(shè)計(jì)了一種雙向雙頻方向回溯陣列,該陣列以中頻(IF)相位共軛為設(shè)計(jì)理念。 此陣列具有以兩個(gè)不同的詢問頻率工作的能力。 對于每個(gè)詢問信號,將頻率轉(zhuǎn)換為另一個(gè)信號。 該陣列可同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙向雙頻逆向性和接收與重發(fā)信號之間的高度隔離,適用于全雙工通信系統(tǒng)。

2010 年,Sun 等人[11]提出了一種共性方向回溯陣列天線,通過遺傳算法對先前實(shí)現(xiàn)的共形稀疏方向回溯陣列天線的優(yōu)化。

2013 年,Choi 等人[12]提出了一種新型方向回溯陣列,所提出的系統(tǒng)還可以接收任何極化,并且始終重新傳輸相對于接收到的極化狀態(tài)正交極化的信號。

2016 年,Buchanan 等人[13]利用鎖相環(huán)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)方向回溯功能,并將這種方向回溯天線陣列應(yīng)用到了衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,如表1 所列。

表1 幾種方向回溯實(shí)現(xiàn)方式的對比Tab.1 Comparison of several implementation methods

從表1 中可以看出,角反射器與Van Atta 陣列其自身結(jié)構(gòu)決定了它們并不適合用于全雙工通信領(lǐng)域,因此并不適合用于小衛(wèi)星星間鏈路天線。 混頻共軛陣列有方法來實(shí)現(xiàn)全雙工通信,因此可用于小衛(wèi)星星間鏈路天線,但其一大缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)收發(fā)天線不同頻率。

1.3 相位檢測陣列

Shiroma 等人[14]提出了一種能夠進(jìn)行全雙工通信的反向陣列。 該系統(tǒng)完全基于模擬電路,用于所有信號處理任務(wù),包括目標(biāo)跟蹤,波束指向和載波恢復(fù)。

如圖11 所示,相位檢測陣列的設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分。 首先,兩元件角度檢測陣列的天線連接到相位檢測器,其中輸入信號的方向由相位檢測器的差值電壓決定。 接下來,通過使用該差值電壓來控制發(fā)射陣列上的基于變?nèi)荻O管的簡單移相器以將發(fā)射信號引導(dǎo)回原始源,可以實(shí)現(xiàn)方向回溯。 最后,還可基于相位檢測器的差值電壓建立接收陣列。

圖11 相位檢測陣列原理圖Fig.11 The schematic diagram of retro-directive array using phase detection and phase shifting

相位檢測陣列類似于相控陣,但是不需要相控陣復(fù)雜的計(jì)算和控制模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)自動的波束指向,且結(jié)構(gòu)簡單,實(shí)現(xiàn)起來較為容易。

2 應(yīng)用于小衛(wèi)星的構(gòu)想

方向回溯陣列天線最直接的應(yīng)用場景是用作應(yīng)答,但由于其結(jié)構(gòu)簡單,能夠?qū)崿F(xiàn)較為快速的自動波束追蹤。 很多研究者一直努力將其用于全雙工通信中,尤其是有較高的方向性要求,且不方便使用復(fù)雜相控陣天線的場景,比如,一些低成本的通信系統(tǒng),其中小衛(wèi)星星間鏈路就是一個(gè)十分合適的應(yīng)用場景。

小衛(wèi)星一般指的是質(zhì)量為幾百千克的衛(wèi)星,它有著自身體積較小,質(zhì)量較輕,而且制造成本低,發(fā)射相對容易且可以批量發(fā)射等優(yōu)點(diǎn),從低軌衛(wèi)星通信組網(wǎng)的需求上來說,小衛(wèi)星無疑是一個(gè)十分合適的選擇。

由于自身尺寸的限制,小衛(wèi)星所攜帶的天線一般尺寸較小,增益也不是很高,抗干擾能力也比較弱。 如圖12 所示,衛(wèi)星之間保持一個(gè)可靠的星間鏈路是小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分布設(shè)計(jì)上的一個(gè)難點(diǎn)。 方向回溯天線陣列用于星間鏈路不僅可以自動波束導(dǎo)向,而且還具有較高增益,這與通常的相控陣比較,無需數(shù)字電路,也無需計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的信號處理,反應(yīng)速度更快。

圖12 小衛(wèi)星之間的通信Fig.12 Communication between small satellites

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擬采用1.3 節(jié)中提到的相位檢測陣列,如圖13 所示,整個(gè)系統(tǒng)的工作過程可以這樣理解:相位檢測陣列的兩個(gè)檢測單元接收到的信號存在相位差,這個(gè)相位差由這兩個(gè)單元連接到的鑒相器得到,進(jìn)而結(jié)合兩單元之間的距離得到信號的偏轉(zhuǎn)角度,與偏轉(zhuǎn)角度有關(guān)的信號可以由波束形成網(wǎng)絡(luò)來控制接收陣列與發(fā)射陣列的移相器,從而可以使信號能被正確的接收,也能使需要傳遞的信息被準(zhǔn)確的傳遞回原信號方向。

圖13 角度檢測陣列示意圖Fig.13 The schematic diagram of angle detecting array

相位檢測的原理可以簡單解釋為:以θ角度入射平面波產(chǎn)生了相位差φ,假設(shè)相鄰單元的間距為d,則相位差為:

式(5)中,k為傳播常數(shù),d為單元間距,θ為入射角。

假設(shè)相位檢測器有一個(gè)線性相關(guān)的電壓/相位關(guān)系,輸出差值電壓V大約為:

式(6)中,M是鑒相器的敏感性,V0是零相位差點(diǎn)的差值電壓,A是差分放大器的增益。

假設(shè)移相器有一個(gè)線性相移/電壓關(guān)系,其輸出φ近似為:

式(7)中,S是移相器的敏感性,φ0是當(dāng)V=0時(shí)的相位。

與相控陣相比較,沒有復(fù)雜的控制和計(jì)算模塊,只需要一個(gè)相位檢測器。 這個(gè)陣列的整體結(jié)構(gòu)較為簡單,能夠?qū)崿F(xiàn)自動波束導(dǎo)向且具有較高的增益,成本低。 這十分符合小衛(wèi)星星間鏈路天線的需求。

方向回溯陣列可以由多種單元天線形式構(gòu)成,這里給出一種筆者設(shè)計(jì)的微帶印刷交叉偶極子圓極化天線作為例子,如圖14 所示,此單元工作在Ka 頻段,尺寸約為8 mm×8 mm,單元增益約為7 dB,實(shí)現(xiàn)30 dB 增益的陣列規(guī)模約為 28×28 元,225 mm×225 mm,尺寸較小,且單元成本較低,符合小衛(wèi)星對低成本高增益天線的需求。

圖14 天線單元示意圖Fig.14 The schematic diagram of antenna element

3 結(jié)論

方向回溯天線自提出至今已經(jīng)有幾十年的研究歷史,國外已經(jīng)有較多的研究,但國內(nèi)研究起步較晚,相關(guān)文獻(xiàn)還比較少。 本文總結(jié)了方向回溯天線從被提出到最近幾年的發(fā)展, 從角反射器到Van Atta 陣列,從多種共軛混頻陣列到應(yīng)用相位檢測器的相位檢測陣列,方向回溯天線從無到有,從簡單到復(fù)雜,可應(yīng)用的場景也逐漸豐富起來。

有關(guān)方向回溯天線可供研究的內(nèi)容還有很多,個(gè)人認(rèn)為可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行更深入的探索:

1)新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的研究;

2)相位共軛電路的實(shí)現(xiàn);

3)方向回溯陣列應(yīng)用的研究。

在小衛(wèi)星星間鏈路天線上的應(yīng)用是一個(gè)比較合適的方向,小衛(wèi)星對結(jié)構(gòu)簡單,成本低的天線需求,正好契合了方向回溯天線的獨(dú)特優(yōu)勢,文中提出了一種較為可行的方案,有待實(shí)踐去驗(yàn)證。