翟江鵬，尹繼凱，王金華，齊 昕

（1 中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 石家莊 050000 2 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 北京 100094）

引言

在軌衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加以及編隊(duì)飛行衛(wèi)星群的快速發(fā)展，要求航天系統(tǒng)地面站具備單站多目標(biāo)管理能力，滿足復(fù)雜星座運(yùn)行管理使用需求。數(shù)字多波束是相控陣與數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合的一種技術(shù)，同時具有相控陣天線波束電掃捷變和數(shù)字信號處理高精度靈活處理的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字多波束天線能夠產(chǎn)生多個獨(dú)立作用波束，同時完成對多個目標(biāo)連續(xù)跟蹤、測量和通信任務(wù)，是解決航天領(lǐng)域多目標(biāo)管理的一種有效途徑[1,2]。

傳統(tǒng)平面陣列形式的數(shù)字多波束天線作用空域有限，且存在在低仰角處性能下降問題。全空域數(shù)字多波束天線能夠擴(kuò)大作用空域范圍，實(shí)現(xiàn)對在軌衛(wèi)星長弧段連續(xù)跟蹤，改善低仰角測量性能，因此全空域數(shù)字多波束天線技術(shù)已逐漸成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[3]。全空域數(shù)字多波束天線可采用多面體立體陣列或球面賦型陣列兩種方式來實(shí)現(xiàn)，多面體立體陣列是對平面陣列的簡單擴(kuò)展，并無太多創(chuàng)新或技術(shù)難度；球面賦型陣列則是一種全新體制陣列天線技術(shù)，具有全空域覆蓋、恒定波束寬度、穩(wěn)定的波束增益、波束靈活控制特點(diǎn)，其陣列布局形式、波束形成方式、工作模式均同傳統(tǒng)平面陣列天線存在較大區(qū)別[4]。本文設(shè)計(jì)了一種球面賦型陣列天線，對其陣列形式、工作模式、工作性能進(jìn)行了研究，并對其波束性能進(jìn)行了仿真分析。

1 工作原理

相控陣波束形成所需幅度加權(quán)、移相可以在射頻部分通過微波網(wǎng)絡(luò)（衰減器和移相器）來實(shí)現(xiàn)，也可以在數(shù)字域通過控制基帶信號實(shí)現(xiàn)對多通道信號幅度和相位控制，形成捷變電掃波束，即數(shù)字波束形成。數(shù)字波束形成同模擬波束形成相比具有精度高、靈活可擴(kuò)展優(yōu)勢，尤其體現(xiàn)在同時作用波束數(shù)量擴(kuò)展上。

發(fā)射數(shù)字多波束形成工作原理如圖1 所示。以單個發(fā)射通道為例分析，每個通道基帶信號處理終端產(chǎn)生多個波束基帶信號，分別進(jìn)行信息調(diào)制、擴(kuò)頻調(diào)制、波束加權(quán)，并將多個波束基帶信號求和輸出至D/A 模塊，D/A 模塊對多個波束合路信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換并輸出至發(fā)射信道，發(fā)射信道對模擬信號進(jìn)行上變頻、功率放大、濾波后傳輸至單元天線，單元天線將發(fā)射信號以電磁波形式在空間輻射輸出，在波束權(quán)值作用下，全陣天線輸出信號在空間同時形成多個攜帶不同調(diào)制信息的發(fā)射波束，分別指向不同目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對多目標(biāo)跟蹤、測量與通信。

接收數(shù)字多波束形成工作原理如圖2 所示。以單個接收通道為例分析，接收單元天線將接收的空間電磁信號傳輸至接收信道，接收信道對此信號進(jìn)行放大、濾波、下變頻處理后傳輸至A/D 模塊，A/D 模塊將接收的信號進(jìn)行離散采樣變換至數(shù)字域，數(shù)字多波束形成器為全部通道接收數(shù)據(jù)分配多組權(quán)值并進(jìn)行加權(quán)求和，即可獲得多個波束輸出信號，將多個波束信號送至接收基帶信號處理終端進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)即可獲得偽距觀測量和數(shù)據(jù)信息。

2 球面賦型陣列天線設(shè)計(jì)

理想球面陣列天線，從空間任何角度觀察，其視在口徑都是同樣大小圓形陣面，該特點(diǎn)確保了陣列天線低仰角波束能夠同法線方向波束性能保持一致。在一定波束優(yōu)化準(zhǔn)則的約束下，球面陣列天線波束在滑動過程中能夠保持恒定波束寬度和增益，是實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋的最佳陣列形式。理想球面陣列在結(jié)構(gòu)加工、組裝、單元天線均勻布放等方面面臨著較大困難，在工程實(shí)現(xiàn)中存在一定限制[5,6]。

工程應(yīng)用中通常采用多個平面多邊形子陣拼接來逼近理想球面陣列，本文采用富勒烯結(jié)構(gòu)（又稱碳60）陣列形式，由12 個正五邊形、20 個正六邊形子陣拼接成球面賦型陣列天線，如圖3 所示。該陣列天線從整體上來看是一個近似球型幾何體，具體到局部每個子陣，則是平面陣列。單元天線在正五/六邊形平面子陣上等間距均勻分布，在正五/六邊形平面子陣拼接的球面上，陣元亦是均勻分布，此特征確保了賦型陣列天線在空間不同指向波束性能具有一致性，區(qū)別于平面陣列天線波束隨掃描仰角降低而性能下降的特點(diǎn)。該賦型陣列天線具備球面陣列天線特性的同時，也兼具平面子陣成熟、簡易加工特點(diǎn)，使得球面陣列天線在工程實(shí)現(xiàn)上變得經(jīng)濟(jì)可行。工程應(yīng)用過程中，衛(wèi)星可視范圍通常在10°仰角以上空域，因此需要對富勒烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行截取，本方案對底部正五邊形及其周邊5個正六邊形進(jìn)行截?cái)嗌崛?，保留截?cái)嗖糠忠陨掀矫孀雨?，球心距離截?cái)嗥矫婢嚯x約0.49R（R 為球體半徑），保留球心下面的部分子陣結(jié)構(gòu)是為了滿足低仰角指向的波束合成需求。

3 球面賦型陣列天線工作模式

3.1 波束滑動行走

全空域數(shù)字多波束天線系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)衛(wèi)星空間位置，選通陣列天線一定區(qū)域內(nèi)通道，形成工作狀態(tài)天線陣面，天線陣面形成指向空間衛(wèi)星的波束。隨著衛(wèi)星空間位置變化，波束控制單元控制球面陣列通道選通和關(guān)閉，不斷有陣列通道從工作通道中切入切出，維持工作通道動態(tài)更新，以“波束滑動行走”方式，使波束始終指向衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星連續(xù)跟蹤，如圖4 所示。波束行走過程中，選通區(qū)域口徑大小保持不變，維持波束增益恒定、波束性能穩(wěn)定。

3.2 多波束工作模式

多波束工作模式下，陣列天線根據(jù)空間目標(biāo)位置分布，分別選通陣面上的不同區(qū)域的工作通道，形成指向不同目標(biāo)的波束。隨著不同波束在球面陣表面“滑動行走”，會產(chǎn)生兩個或更多波束相交情況，如圖5 所示，即參與上述波束形成的陣元通道相互重疊，重疊部分通道需要同時參與到兩個或多個波束形成任務(wù)中。

采用數(shù)字波束形成技術(shù)，發(fā)射模式下，每個發(fā)射通道中同時產(chǎn)生多路針對不同目標(biāo)的發(fā)射信號，對多路信號加權(quán)求和傳輸至單元天線，單元天線將合路信號在空間輻射輸出，在權(quán)值幅相調(diào)整作用下即可在空間形成多個獨(dú)立作用波束；接收模式下，對參與波束形成通道采集的數(shù)字信號分配多組不同權(quán)值并分別求和輸出，可以同時獲得多個不同指向波束信號。數(shù)字波束形成技術(shù)為解決球面賦型陣列多波束形成過程中工作通道重疊問題提供了有效解決手段，相比于模擬波束形成方式，該技術(shù)在工程實(shí)現(xiàn)上具有靈活、便捷、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。

3.3 波束增強(qiáng)模式

陣列天線波束增益主要取決于參與波束形成的通道數(shù)量。球面賦型陣列天線工作過程中通常選取一定球扇形錐角球冠表面陣列通道參與波束形成，隨著錐角角度增大，參與波束形成的通道數(shù)量也逐漸增多。球面賦型陣列天線在波束增強(qiáng)模式下時，通過增大選通區(qū)域錐角角度可實(shí)現(xiàn)陣列天線參與波束形成的通道數(shù)量增加及工作口徑擴(kuò)大，以此來獲得性能更加優(yōu)異的波束，表現(xiàn)為波束增益增加、波束功率增大、波束寬度變窄、指向性增強(qiáng)等。

4 仿真分析

建立球面賦型陣列數(shù)學(xué)模型，對陣列天線波束性能進(jìn)行仿真分析。

仿真條件：以L 頻段陣列天線為例，中心頻點(diǎn)為1 200 MHz，球型陣列天線直徑為5 m，陣元中心間距選取為0.6 倍波長，工作區(qū)域球扇形錐角設(shè)置為120°。

以接收波束形成為例對波束形成原理進(jìn)行介紹。假設(shè)陣列天線工作區(qū)域內(nèi)共有N個陣元參與波束形成，其中第m個陣元空間坐標(biāo)pm可表示為(p xm,p ym,pzm)。遠(yuǎn)場條件下期望信號S(t)以平面波形式從(θ,φ)方向入射至球面賦形陣列天線，工作區(qū)域內(nèi)N個接收通道接收到的信號可表示為：

式中，n(t)=［n1(t)…nN(t)］T為各個陣元上獨(dú)立不相關(guān)的高斯白噪聲，A(θ,φ,pm)=為陣列流行向量，該向量包含了陣列天線的所有空間特征，其第m個元素am（θ,φ,pm)代表陣列天線第m個通道對(θ,φ)方向入射信號的期望響應(yīng)，可表示為：

陣列流行向量的共軛結(jié)果即為波束形成權(quán)值ω=A*(θ,φ,pm)。將權(quán)值向量同陣列流行相乘求和，即可獲得陣列天線在(θ,φ)方向的接收功率數(shù)值。改變(θ,φ)取值，重復(fù)上述過程即可求得陣列天線在全部作用空域內(nèi)的接收功率變化特性，即陣列天線方向圖。

依據(jù)上述波束形成原理對球面賦形陣列天線的波束特性進(jìn)行仿真分析如下，主要包括波束增益、波束寬度、同時多波束方向圖及波束增強(qiáng)模式下的陣列增益。

4.1 賦型陣列天線波束增益/寬度隨波束仰角變化分析

選取0°方位軸，俯仰方向上以10°為間隔，依次進(jìn)行球面賦型陣列天線在10°～90°仰角方向上的波束方向圖仿真，比較不同仰角情況下波束增益、波束寬度變化特性，仿真結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可以觀察到，球面賦型陣列天線波束在10°～90°仰角變化過程中，波束增益、波束寬度基本維持穩(wěn)定，波束增益變化小于0.15 dB，波束寬度變化小于0.16°，由此證明賦型球面陣列天線不同指向波束具有良好的一致性。

4.2 多波束方向圖仿真分析

以發(fā)射多波束為例，同時在（0°；90°）、（90°；30°）、（180°；45°）、（270°；60°）四個離散方向形成四個獨(dú)立波束，多波束三維立體方向圖如圖8 所示，各離散方向二維方向圖如圖9 所示。

多波束形成過程中，當(dāng)兩個波束相鄰較近時，其中一個波束第一副瓣會進(jìn)入另一個波束主瓣區(qū)域，對該波束目標(biāo)接收會造成一定干擾影響，可通過采用一定窗函數(shù)加權(quán)算法來降低副瓣電平，減少對其他波束目標(biāo)影響[7]。

4.3 波束增強(qiáng)模式性能分析

設(shè)置球面賦型陣列天線工作區(qū)域球扇形錐角從90°逐步增大至165°，通過仿真計(jì)算求得不同錐角度下球面賦型陣列天線參與波束形成通道數(shù)量及相應(yīng)陣列增益，仿真結(jié)果分別如圖10 和圖11 所示。

由圖10 可知，球面賦型陣列天線工作通道數(shù)量隨工作區(qū)域球扇形錐角度數(shù)線性增加，這主要是由于球扇形上表面積同錐角為線性變化關(guān)系，錐角度數(shù)越大，球扇形上表面積越大，球冠表面所能鋪設(shè)陣元數(shù)量越多。由圖11 可知，陣列增益隨錐角度數(shù)增大而逐漸增加，到達(dá)一定程度之后，陣列增益則基本維持不變，這主要是由于錐角增加到一定程度后，新增加通道單元天線僅有低仰角部分參與到波束形成中，單元天線低仰角增益通常比法線方向增益低8 dB～10 dB 左右，盡管參與波束形成的通道數(shù)量不斷增加，但是對整個陣列增益幾乎沒有貢獻(xiàn)，因此波束增強(qiáng)模式下工作區(qū)域球扇形錐角度數(shù)建議不大于150°。

5 結(jié)束語

基于富勒烯結(jié)構(gòu)的球面賦型陣列天線能夠?qū)崿F(xiàn)全空域覆蓋，有效擴(kuò)大了陣列天線作用空域，且該賦型陣列天線產(chǎn)生的波束在全空域掃描過程中能夠保持波束增益、波束寬度的一致性，為波束的測量性能一致性奠定了基礎(chǔ)。球面賦型陣列天線采用數(shù)字波束形成方式，可實(shí)現(xiàn)同時多波束模式和波束增強(qiáng)模式，能夠完成多目標(biāo)管理及波束增益、波束性能提升，具有靈活可擴(kuò)展的特點(diǎn)，能夠?yàn)楹教祛I(lǐng)域多目標(biāo)管理提供有效解決方案。