何 雯，王顯煜，王 平，方 海，崔萬照

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

當(dāng)前我國已經(jīng)建成了多顆寬帶通信衛(wèi)星，然而這些通信衛(wèi)星大多采用固定多波束覆蓋[1]，無法對隨機(jī)隨時(shí)隨地業(yè)務(wù)容量變化的地區(qū)之間進(jìn)行通信容量協(xié)調(diào)匹配，隨著地面應(yīng)用需求的快速變化，現(xiàn)有通信衛(wèi)星系統(tǒng)固定波束天線無法滿足局部地區(qū)突然爆發(fā)的高容量靈活通信需求[2]。因此，需要設(shè)計(jì)能夠滿足突發(fā)條件下局域通信容量增強(qiáng)的可移動(dòng)多波束天線，將天線波束靈活移動(dòng)到通信需求熱點(diǎn)區(qū)域，提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)頻譜資源的利用率。

美國WGS衛(wèi)星采用X頻段相控陣天線和Ka頻段機(jī)械可移動(dòng)天線實(shí)現(xiàn)波束覆蓋的靈活調(diào)整，以適應(yīng)熱點(diǎn)區(qū)域需求的動(dòng)態(tài)變化，采用單口徑結(jié)構(gòu)和波束形成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在保障不增加天線口徑數(shù)量的同時(shí)，提供了高增益大容量通信，實(shí)現(xiàn)對隨時(shí)隨地隨機(jī)發(fā)生的局部沖突地區(qū)進(jìn)行容量加強(qiáng)。我國高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)以固定的多波束天線為主，波束形成網(wǎng)絡(luò)可以獲得較好的增益和旁瓣性能，波束形成、波束重構(gòu)、波束掃描具有高靈活性，但無法完成大區(qū)域范圍內(nèi)的波束靈活移動(dòng)。

可移動(dòng)多波束天線采用機(jī)械控制實(shí)現(xiàn)波束的動(dòng)態(tài)調(diào)整，利用波束形成網(wǎng)絡(luò)完成多個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域的靈活覆蓋，進(jìn)而對隨時(shí)隨地隨機(jī)發(fā)生的軍民用熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行容量增強(qiáng)，滿足覆蓋區(qū)域動(dòng)態(tài)變化的業(yè)務(wù)需求。星載可移動(dòng)多波束天線的高增益點(diǎn)波束、機(jī)械可移動(dòng)等特性使得衛(wèi)星具備較強(qiáng)的大容量靈活通信能力。因此，本文通過研究可移動(dòng)多波束天線系統(tǒng)，分析波束饋源簇[3]形成方式、相鄰波束饋源交疊方案、天線轉(zhuǎn)動(dòng)方式以及波束形成網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并設(shè)計(jì)波束幅相激勵(lì)系數(shù)優(yōu)化算法和仿真分析，實(shí)現(xiàn)波束移動(dòng)前后性能等化。

1 可移動(dòng)多波束天線總體方案

可移動(dòng)多饋源單口徑多波束天線是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的大容量、靈活性和抗干擾性的重要保障，采用高增益低旁瓣多波束設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)的資源復(fù)用能力和通信容量；采用機(jī)械控制實(shí)現(xiàn)波束的全球移動(dòng)，提高系統(tǒng)覆蓋區(qū)域的靈活性，并通過調(diào)整波束形成網(wǎng)絡(luò)幅相權(quán)值，實(shí)現(xiàn)波束轉(zhuǎn)動(dòng)前后的性能等化；采用自適應(yīng)調(diào)零算法，實(shí)現(xiàn)對熱點(diǎn)區(qū)域的信號(hào)增強(qiáng)和對干擾區(qū)域的陷波。如圖1所示，熱點(diǎn)區(qū)域有可能隨時(shí)發(fā)生變化，通過機(jī)械控制調(diào)整天線反射面，使得波束覆蓋由區(qū)域1移動(dòng)到區(qū)域2，為其提供可靠的通信服務(wù)保障。

圖1 可移動(dòng)多波束天線系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the movable multi-beam antenna system

單口徑多波束天線使用一副口徑形成多波束覆蓋[3]，一般采用多個(gè)饋源合成一個(gè)波束，因此需要波束形成網(wǎng)絡(luò)。只使用一副口徑(收發(fā)共用)或者兩副口徑(收發(fā)分開)實(shí)現(xiàn)多波束，減少了口徑數(shù)量，有效減少對衛(wèi)星平臺(tái)安裝空間的需求；此外在全球可移動(dòng)動(dòng)態(tài)覆蓋情況下，可以通過波束形成網(wǎng)絡(luò)對波束進(jìn)行優(yōu)化，使其轉(zhuǎn)動(dòng)后波束性能損失得到有效補(bǔ)償。

Ka頻段單口徑多饋源多波束天線系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，包含反射器、饋源陣、濾波器、低噪放、接收波束形成網(wǎng)絡(luò)、星上處理控制設(shè)備、發(fā)射波束形成網(wǎng)絡(luò)、功放等。在接收端，N個(gè)饋源信號(hào)經(jīng)低噪放濾波后進(jìn)入接收波束形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生M個(gè)波束信號(hào)，在發(fā)射端，M個(gè)波束信號(hào)進(jìn)入發(fā)射波束形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生K個(gè)饋源信號(hào)，再通過功放進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)饋源組件和反射器發(fā)射出去。因此，波束形成網(wǎng)絡(luò)(beam forming network，BFN)可以實(shí)現(xiàn)饋源信號(hào)和波束信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，通過控制單元對BFN的移相衰減器進(jìn)行幅度相位調(diào)整，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)對期望波束的幅度增強(qiáng)和對干擾區(qū)域的陷波。

圖2 單口徑多波束天線系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Block diagram of the single-aperture multi-beam antenna system

2 可移動(dòng)多波束天線設(shè)計(jì)

靈活可移動(dòng)的高增益低旁瓣多波束天線可以提升多波束系統(tǒng)資源復(fù)用能力[4]，采用機(jī)械可動(dòng)的單口徑天線，通過轉(zhuǎn)動(dòng)反射器實(shí)現(xiàn)全球波束移動(dòng)，達(dá)到動(dòng)態(tài)覆蓋的目的，并采用優(yōu)化算法對波束幅相激勵(lì)系數(shù)進(jìn)行快速優(yōu)化，可以最大程度減小天線系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)前后性能惡化程度，使多波束天線在動(dòng)態(tài)覆蓋下滿足增益和C/I的性能要求。

為了使多波束在全球范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)后滿足技術(shù)指標(biāo)要求，需要適時(shí)對波束幅相激勵(lì)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)波束激勵(lì)系數(shù)的優(yōu)化和上注，最小程度減小不可用時(shí)間。因此，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)天線參數(shù)，合理確定波束饋源簇形成方式、相鄰波束共用饋源形式、天線轉(zhuǎn)動(dòng)方式，解決天線轉(zhuǎn)動(dòng)前后波束性能惡化問題，并根據(jù)選定的天線參數(shù)，使用快速優(yōu)化算法對轉(zhuǎn)動(dòng)前后波束形成網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得最好的波束性能。

2.1 波束饋源簇形成方式

當(dāng)多個(gè)饋源所形成的“饋源簇”[5]在結(jié)構(gòu)布局上存在一定程度的相互交疊時(shí)，可以有效降低饋源簇在天線焦平面的離散度和波束指向的間隔，通過這樣的方式就可以獲得更為理想的邊緣照射電平及天線增益值。常用的波束饋源簇形成方式如圖3所示，圖中分別給出4饋源、6饋源及7饋源形成波束方式。其中7饋源或更多饋源簇的波束形成方式性能更優(yōu)，因?yàn)槠漯佋磁挪挤绞礁鼮閷ΨQ且在波束優(yōu)化時(shí)可調(diào)節(jié)變量數(shù)目更多，具有更高的自由度。

圖3 波束形成方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of beamforming method

2.2 相鄰波束饋源交疊方式

在饋源交疊方式[6]的選擇方面，常用的可選交疊方式有單饋源、雙饋源及四饋源交疊。饋源交疊數(shù)目越多，口徑利用效率越高，饋源陣規(guī)模越小，但相對的饋源陣BFN的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度越大且波束優(yōu)化時(shí)的自由度越低。所以在饋源交疊方式的選擇方面，需要在陣列規(guī)模(重量、體積)、BFN復(fù)雜度以及波束優(yōu)化自由度多方面進(jìn)行折中設(shè)計(jì)。圖4給出共用1/2/4個(gè)饋源的3種饋源交疊方案，其中共用4個(gè)饋源的波束合成方式可以實(shí)現(xiàn)更高的饋源效率。

圖4 多饋源合成波束示意圖Fig.4 Schematic diagram of mult-feed composite beam

2.3 天線轉(zhuǎn)動(dòng)方式

多波束天線轉(zhuǎn)動(dòng)[7]方式分為整體轉(zhuǎn)動(dòng)和反射器轉(zhuǎn)動(dòng)兩種。

整體轉(zhuǎn)動(dòng)即饋源陣和反射器一體轉(zhuǎn)動(dòng)，好處是無論指向哪個(gè)位置，多波束性能均不會(huì)發(fā)生變化，但帶來的問題是如何解決波導(dǎo)組件的電氣連接問題。當(dāng)使用單饋源饋電時(shí)，可以通過使用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)一體化轉(zhuǎn)動(dòng)。但多波束天線饋源數(shù)量多，導(dǎo)致波導(dǎo)組件數(shù)量龐大，無法使用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，其他方法會(huì)帶來諸如插損變大或者幅相一致性變差等問題。

反射器轉(zhuǎn)動(dòng)即饋源陣保持固定，通過反射器轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)波束移動(dòng)。目前反射器轉(zhuǎn)動(dòng)分為繞頂點(diǎn)和繞中心兩種，繞頂點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)方式當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)量較大時(shí)反射面漏射嚴(yán)重，會(huì)造成增益損失大、波束畸變嚴(yán)重，繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)較好的解決了該問題。

因此反射器單獨(dú)繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)方式更適合用來實(shí)現(xiàn)波束全球移動(dòng)。

2.4 波束形成網(wǎng)絡(luò)

發(fā)射波束形成網(wǎng)絡(luò)[8-9]可以實(shí)現(xiàn)K路發(fā)射饋源信號(hào)與M個(gè)波束的映射關(guān)系,由功分網(wǎng)絡(luò)、移相衰減器、功率合成網(wǎng)絡(luò)組成，如圖5所示。整個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)的功能為：可以上注任意幅相激勵(lì)系數(shù)(移相衰減組件范圍內(nèi))對饋源信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，每個(gè)波束信號(hào)由S個(gè)饋源合成，相鄰波束共用L個(gè)饋源；可以通過指令獲取當(dāng)前波束形成網(wǎng)絡(luò)的移相衰減權(quán)值；可以實(shí)時(shí)獲取放大器(若有)和移相衰減組件的工作狀態(tài)(電壓或電流遙測)。

圖5 發(fā)射波束形成網(wǎng)絡(luò)原理框圖Fig.5 Block diagram of transmit beamforming network

波束形成網(wǎng)絡(luò)包括了兩個(gè)電路模塊，即波束端的功率分配電路和饋源端的功率合成電路。波束端的功率分配電路指對把波束信號(hào)按照一定的幅度權(quán)值關(guān)系分配到不同的饋源端，該功率分配電路是一個(gè)不等分的功率分配電路，需要設(shè)計(jì)各種不同路數(shù)的不等分功率分配電路。饋源端的功率合成電路是把需要連接到同一個(gè)饋源的信號(hào)進(jìn)行功率合成再傳輸?shù)教炀€單元上，它的要求是進(jìn)行等功率合成。

2.5 波束幅相激勵(lì)系數(shù)優(yōu)化算法

為了使多波束在全球范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)后滿足技術(shù)指標(biāo)要求，需要適時(shí)對波束幅相激勵(lì)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。因此需要選用合適的優(yōu)化算法，使優(yōu)化進(jìn)程快速收斂，能夠在最短時(shí)間內(nèi)對波束幅相激勵(lì)系數(shù)進(jìn)行快速優(yōu)化[10]。粒子群算法[11-12]是一種基于群體智能的全局隨機(jī)搜索演化算法，能夠通過搜索策略產(chǎn)生初始解，并通過迭代產(chǎn)生最優(yōu)解，該算法搜索區(qū)間大、收斂速度快、容易操作，比較適合用來快速產(chǎn)生波束激勵(lì)優(yōu)化算法。

粒子群算法算法初始化為一群隨機(jī)粒子，具備速度和位置兩個(gè)屬性。每個(gè)粒子在搜索空間中單獨(dú)搜尋最優(yōu)解，在每一次迭代中體極值，粒子通過跟蹤兩個(gè)“極值”(pbest,gbest)來進(jìn)行更新，并將個(gè)體極值與整個(gè)粒子群中的其他粒子共享，找到最優(yōu)的個(gè)體極值作為整個(gè)粒子群的當(dāng)前全局最優(yōu)解來調(diào)整自己的速度和位置。式(1)和式(2)分別為速度和位置的迭代函數(shù)。

(1)

(2)

圖6 粒子群優(yōu)化算法流程Fig.6 Process of particle swarm optimization algorithm

多波束天線的核心指標(biāo)是服務(wù)區(qū)內(nèi)的增益值及C/I，通過上述粒子群算法對波束移動(dòng)后的幅相權(quán)值系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而比較優(yōu)化前后增益值和C/I的變化情況。

3 仿真分析

Ka頻段單口徑多波束天線采用19個(gè)饋源產(chǎn)生19個(gè)波束，采用四色復(fù)用方式，如圖7所示。每個(gè)波束由7個(gè)饋源合成，相鄰波束共用4個(gè)饋源，饋源呈蜂窩狀排布，饋源間距25mm，采用反射面繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)方式機(jī)械控制波束移動(dòng)，并利用改進(jìn)型粒子群算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)后波束性能的優(yōu)化。圖8仿真分析了天線在95%和100%覆蓋時(shí)，波束轉(zhuǎn)動(dòng)過程中最小和平均增益在幅相激勵(lì)系數(shù)優(yōu)化前后的性能對比，圖9仿真分析了最小和平均C/I在優(yōu)化前后的性能對比，當(dāng)波束轉(zhuǎn)動(dòng)指向7.5°，優(yōu)化前的平均增益下降為43.5dB，平均C/I惡化為11dB，但通過幅相權(quán)值的優(yōu)化，平均增益穩(wěn)定在43.8dB左右，C/I穩(wěn)定在22dB左右，C/I性能提升很大。圖10給出了HFSS軟件仿真波束指向-7.5°時(shí)，未進(jìn)行波束優(yōu)化的增益和C/I性能效果，圖11給出了同樣條件下進(jìn)行波束優(yōu)化后的增益和C/I性能效果仿真圖。兩圖對比可知，若未優(yōu)化波束幅相系數(shù)，波束C/I性能急劇惡化，而優(yōu)化后，C/I性能將會(huì)明顯改善。因此，采用優(yōu)化算法對波束形成網(wǎng)絡(luò)幅相激勵(lì)系數(shù)的調(diào)整，可以改善波束大范圍掃描后的形狀畸變和性能惡化問題，保證機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)后的天線波束持續(xù)可用。

圖7 波束四色復(fù)用關(guān)系Fig.7 The relationship of four-color multiplexing beam

圖8 波束優(yōu)化前后增益性能對比Fig.8 Comparison of gain before and after beam optimization

圖9 波束優(yōu)化前后C/I性能對比Fig.9 Comparison of C/I before and after beam optimization

圖10 優(yōu)化前指向-7.5°增益及C/IFig.10 The gain and C/I of pointing to -7.5° before optimization

圖11 優(yōu)化后指向-7.5°增益及C/IFig.11 The gain and C/I of pointing to -7.5°after optimization

4 結(jié)論

本文通過研究美國WGS衛(wèi)星通信系統(tǒng)對Ka頻段多波束天線的應(yīng)用，分析可移動(dòng)多饋源單反射面的多波束天線在實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高增益覆蓋、波束靈活調(diào)整等方面的作用。在多波束天線方案設(shè)計(jì)中，選擇7個(gè)饋源合成一個(gè)波束，相鄰波束共用4個(gè)饋源的方式，采用反射面繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)方式機(jī)械控制波束移動(dòng)，并利用改進(jìn)型粒子群算法對波束形成網(wǎng)絡(luò)的幅相激勵(lì)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)后波束性能的優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，對波束幅相權(quán)值的優(yōu)化可保證天線轉(zhuǎn)動(dòng)前后波束增益和C/I性能等化。因此，可移動(dòng)多波束天線可以實(shí)現(xiàn)未來寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的大容量通信和靈活覆蓋。