羅 康 王 青 楊 凱 李 斌

（海軍工程大學(xué)電磁能技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 410003）

1 引言

衛(wèi)星通信能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)某暰嗤ㄐ?，廣泛應(yīng)用于航天、農(nóng)業(yè)、氣象和軍事等領(lǐng)域。衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)的主天線通常為高增益的卡塞格倫、環(huán)焦雙反射面天線，反射面天線有較低的旁瓣電平（約-40dB），具有一定的抗干擾特性。然而，衛(wèi)星開(kāi)放式和廣播式的通信方式使其下行鏈路極易受到地面大功率電子設(shè)備或其他有源設(shè)備干擾［1～3］。波束形成技術(shù)是一種有效的空域抗干擾方法，其原理是對(duì)輔助天線接收信號(hào)進(jìn)行加權(quán)調(diào)整，與主天線接收信號(hào)合成，實(shí)現(xiàn)干擾抑制［4～8］。

伴隨著雷達(dá)抗干擾技術(shù)的發(fā)展［4～5］，自適應(yīng)旁瓣對(duì)消技術(shù)逐漸引入衛(wèi)星通信地面站抗干擾系統(tǒng)［9～12］。文獻(xiàn)［10］采用低頻信號(hào)調(diào)制和復(fù)數(shù)檢測(cè)技術(shù)，當(dāng)衛(wèi)星下行有用信號(hào)和干擾信號(hào)同頻時(shí)，測(cè)量獲得了40dB 以上的對(duì)消比。文獻(xiàn)［11］由波程差分析了衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)的寬帶對(duì)消場(chǎng)景，當(dāng)干擾來(lái)波方向未知時(shí)（假設(shè)主天線孔徑約100λ，輔助天線為全向小孔徑天線），最優(yōu)輔助天線個(gè)數(shù)為5，單元間距為55λ。文獻(xiàn)［12］提出了一種用于衛(wèi)星通信地面站抗干擾的帶內(nèi)功率最小化的方法，對(duì)于孔徑為1.2m 的主天線（VSAT 站）和孔徑為100m×90mm 的輔助天線（喇叭天線），測(cè)試獲得了約25dB的對(duì)消比。近年來(lái)，本文作者所在的團(tuán)隊(duì)對(duì)衛(wèi)星通信地面站抗干擾技術(shù)進(jìn)行了研究［13～15］。文獻(xiàn)［13］采用自適應(yīng)旁瓣對(duì)消技術(shù)，優(yōu)化了輔助天線增益、數(shù)量、陣列流形等對(duì)對(duì)消比、有用信號(hào)損失的影響，采用7 單元微帶天線線陣作為輔助天線，測(cè)試獲得了25dB 的對(duì)消比。文獻(xiàn)［15］采用2 單元橢圓寬波束微帶天線作為輔助天線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)360°方位面任意來(lái)波方向干擾信號(hào)的有效覆蓋，測(cè)試獲得了27dB 的對(duì)消比。然而，上述文獻(xiàn)均未研究衛(wèi)星通信地面站主瓣抗干擾輔助天線的設(shè)計(jì)。

本文針對(duì)衛(wèi)星通信地面站主瓣抗干擾開(kāi)展研究，提出了基于陣列饋源的波束形成方法。根據(jù)衛(wèi)星通信地面站抗干擾場(chǎng)景，通過(guò)分析不同輔助天線陣增益、主天線旁瓣增益等對(duì)輸出信干噪比的影響，推導(dǎo)了最優(yōu)輔助天線陣增益。以實(shí)驗(yàn)室某衛(wèi)星通信地面站天線主瓣抗干擾輔助天線設(shè)計(jì)為例，提出了7 單元陣列饋源的方案，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

2 輔助天線陣增益和權(quán)值分析

根據(jù)波束形成的基本原理，輔助天線在干擾信號(hào)方向上的增益越大，對(duì)消效果越好。然而，這將導(dǎo)致輔助天線尺寸變大，不利于工程實(shí)現(xiàn)。為獲得最優(yōu)輔助天線增益，本節(jié)通過(guò)分析不同輔助天線陣增益對(duì)輸出信噪比的影響，以用于指導(dǎo)輔助天線設(shè)計(jì)。

2.1 波束形成基本原理

考慮陣列流形后，假設(shè)有I個(gè)干擾源、N 個(gè)輔助天線，主天線、輔助天線收到信號(hào)的分別為

其中，s、ci分別為有用信號(hào)、干擾信號(hào)，Gm、Gan分別主天線、輔助天線方向圖，(θS,φS)、(θi,φi)分別有用信號(hào)、干擾信號(hào)來(lái)波方向，Nm、Nan分別為主通道、輔助通道噪聲，gm、gmi、gan、gani為本文引入的中間變量。fn0、fs0、fci分別為輔助天線、有用信號(hào)、干擾來(lái)波方向的相位因子：

在最小均方誤差準(zhǔn)則下：

輔助天線最優(yōu)權(quán)值為

上式為經(jīng)典的維納一霍夫方程的解。其中，RCA為輔助天線陣列接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣，RCM為輔助天線與主天線接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣：

其中，Xa=[Xa1Xa2…XaN]T。

2.2 最優(yōu)輔助天線增益

為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)只有一個(gè)輔助天線，一個(gè)干擾源，各通道噪聲、干擾信號(hào)、通信信號(hào)之間互不相關(guān)。與此同時(shí)，衛(wèi)星通信地面站主天線的旁瓣電平通常約-40dB，且干擾信號(hào)功率遠(yuǎn)大于衛(wèi)通信號(hào)功率。因此：1）衛(wèi)通主瓣增益‖gm‖2通常比旁瓣增益‖gm1‖2大40dB；2）衛(wèi)通信號(hào)功率遠(yuǎn)小于通道噪聲功率；3）衛(wèi)通主天線的接收信號(hào)中，干擾信號(hào)功率不小于衛(wèi)通信號(hào)功率；4）干擾信號(hào)功率通常比通道噪聲功率大40dB。

理想條件下，自適應(yīng)旁瓣對(duì)消技術(shù)只消除主天線接收信號(hào)中的干擾信號(hào)，最優(yōu)權(quán)值為

單天線、單干擾源下的最優(yōu)權(quán)值為

此時(shí)，對(duì)消后的輸出信號(hào)為

對(duì)應(yīng)的輸出信噪比，即干擾抑制的理論上限為

其中，

上式為衛(wèi)通主天線接收信號(hào)的信噪比（不考慮干擾信號(hào)）。相比于干擾抑制前，干擾抑制后的信噪比會(huì)出現(xiàn)一定的惡化，輔助天線在干擾信號(hào)入射方向處的增益值越大，在衛(wèi)通信號(hào)入射方向處的增益值越小，惡化的程度越低。因此，在輔助天線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮盡量增大干擾信號(hào)入射方向的天線增益，減小在衛(wèi)通信號(hào)入射方向處的增益，且輔助天線干擾信號(hào)來(lái)波方向的增益要遠(yuǎn)大于主天線在此方向的增益。

根據(jù)式（14），圖1 為對(duì)消輸出信干噪比SINRout隨不同輸入信噪比SNRin（無(wú)干擾時(shí)）、主天線在干擾信號(hào)來(lái)波方向上增益gm1、輔助天線在干擾信號(hào)來(lái)波方向上的增益ga11的變化曲線。需要說(shuō)明的是：地面站衛(wèi)通正常工作時(shí)，信噪比SNRin通常為8dB～12dB，旁瓣電平通常約-40dB，且旁瓣增益gm1通常不超過(guò)4dB?？梢钥闯觯?）由于主天線具有較低的旁瓣電平，SINRout基本不隨gm1變化；2）隨著ga11逐漸逼近12dB，SINRout逐漸收斂于SNRin。因此，針對(duì)上述場(chǎng)景，輔助天線在干擾信號(hào)來(lái)波方向上的增益應(yīng)大于12dB。

圖1 SINRout 隨ga11 變化曲線

2.3 最優(yōu)權(quán)值

在單天線、單干擾源條件下的，RCA、RCM可改寫為

由式（18）可知，‖ga11‖2越大，權(quán)值W0越趨近于Wopt，且式（18）第二項(xiàng)分子、分母的幅值均越大，有可能惡化理想條件下的對(duì)消性能?！琯a1‖2越小，由于此時(shí)的幅值遠(yuǎn)小于，對(duì)分母幅值的影響有限。考慮到‖gm‖2比‖gm1‖2大40dB，的幅值遠(yuǎn)大于的幅值。因此，應(yīng)盡量降低輔助天線在有用信號(hào)來(lái)波方向上的增益，并增大其在干擾信號(hào)來(lái)波方向上的增益。假設(shè)‖ga11‖2較大、‖ga1‖2較小，干擾信號(hào)功率遠(yuǎn)大于通信信號(hào)功率，式（18）可近似為（遠(yuǎn)大于和，遠(yuǎn)大于和）：

此時(shí)，對(duì)消后的輸出信號(hào)為

對(duì)應(yīng)的信號(hào)與干擾噪聲之比為

由式（23）可知，提升對(duì)消后的信干噪比的途徑有：增大α2，減小β2和‖W0‖2。當(dāng)干擾信號(hào)被完全消除時(shí)，即α2=‖gm‖2、β2=0 時(shí)，對(duì)消后的輸出信噪比仍然會(huì)出現(xiàn)惡化。

3 輔助天線陣設(shè)計(jì)

第1 節(jié)針對(duì)衛(wèi)星通信地面站主天線的低旁瓣電平的工作場(chǎng)景，推導(dǎo)了最優(yōu)輔助天線增益和權(quán)值。本節(jié)在此基礎(chǔ)上，研究衛(wèi)星通信地面站主瓣抗干擾工程實(shí)現(xiàn)方法。

3.1 陣列饋源

主天線（卡賽格倫環(huán)焦雙反射面天線）與原波紋喇叭饋源天線仿真模型如圖2 所示（12.5GHz），原饋源增益為12.8dB，略大于第1 節(jié)分析的最優(yōu)輔助天線增益（ga11≥12dB）。本節(jié)采用基于微天線下的陣列饋源方案（易于加工），故陣增益應(yīng)大于原饋源增益12.8dB。圖2（a）中原饋源喇叭天線口徑為60mm，微帶天線單元采用半波長(zhǎng)間距組陣時(shí)，最大可放入7 個(gè)單元，如圖3（a）所示。與此同時(shí)，微帶天線單元增益約為6dB，根據(jù)方向圖乘積因子，7個(gè)單元合成增益約14.4dB，故該陣列饋源增益具有一定的余量。

圖2 主天線與原饋源仿真方向圖

圖3 陣列饋源

陣列饋源天線單元矩形輻射貼片邊長(zhǎng)為7mm（0.43λ）、7.8mm（0.48λ），由同軸探針饋電激勵(lì)TM01模式，單元間距為14.4mm（0.6λ）。采用Rogers 5880 介質(zhì)板，厚度為2mm，直徑為60mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.001。陣列饋源加工實(shí)物如圖3（b）所示，采用該陣列饋源替代圖2（a）中的波紋喇叭饋源。

圖4 為陣列饋源掃描方向圖，在0°～40°的范圍內(nèi)掃描增益始終大于對(duì)應(yīng)角度的原饋源增益。根據(jù)第1 節(jié)分析，主天線反射面接收有用和干擾信號(hào)到陣列饋源，陣列饋源加權(quán)后，在干擾信號(hào)來(lái)波方向上產(chǎn)生等效的零陷，而在有用信號(hào)來(lái)波方向上增益損失相對(duì)較小，可獲得較好的抗干擾效果。

圖4 陣列饋源掃描方向圖

3.2 抗干擾效果

假設(shè)有用信號(hào)來(lái)自圖2（b）中-z軸方向（0°），干擾信號(hào)靠近主波束（1°）。根據(jù)第1 節(jié)仿真方法，可得全陣列波束方向圖如圖5 所示。由于陣列饋源可以復(fù)用主反射面，因此可以實(shí)現(xiàn)較好的主瓣抗干擾效果。對(duì)消中頻頻域波形如圖6 所示，可實(shí)現(xiàn)33dB 的對(duì)消效果，對(duì)有用信號(hào)信噪比損失為1.41dB。

圖5 全陣列波束方向圖

圖6 對(duì)消前后信號(hào)頻譜

由于Ku 頻段射頻損耗較大，衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)通常會(huì)在饋源處設(shè)置低噪聲放大器，或者采用低損耗的波導(dǎo)管使得低噪聲放大器可以遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)置。因此，開(kāi)展本文饋源陣列的實(shí)驗(yàn)分析需要改裝衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這將是本文的下一步工作，以驗(yàn)證本文最優(yōu)輔助天線增益分析、陣列饋源的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了衛(wèi)星通信地面站抗干擾輔助天線設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先，根據(jù)波束形成原理和衛(wèi)星通信地面站工作場(chǎng)景，建立了對(duì)消輸出信干噪比與輔助天線增益的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了最優(yōu)輔助天線增益，并分析了相應(yīng)的權(quán)值計(jì)算方法。然后，以實(shí)驗(yàn)室某衛(wèi)星通信地面站天線為例，提出了陣列饋源的設(shè)計(jì)思路，7 個(gè)微帶天線單元組成陣列饋源。仿真結(jié)果表明，當(dāng)干擾偏離主波束1°時(shí)，可實(shí)現(xiàn)33dB 的對(duì)消比，信噪比損失為1.41dB。