、。。。年
1。
月中国空问科学技术
第5期CHINESESPACESCIENCEANDTECHNOLOG
Y
卫星多波束天线综述
谢崇进王华芝(北京邮电大学北京100088)
摘要卫星通信的发展及对卫星通信的容量和效率要求的不断提高导致
了
卫星多波束天线的出现文章对目前使用的阵馈单反射面多波束天线成形反射
面多波束天线有源多元阵多波束天线及镜像多波束天线的结构分析方法适
用范围等进行了综述并给出了相应的例子
主题词多波束天线卫星通信述评
1引言
人们对卫星通信要求的不断提高促进了卫星通信技术的不断发展如何提高卫星通
信的容量和效率一直是该领域研究的主要问题之一通过在卫星上使用多波束天线则是解决这个问题的一种重要手段
多波束天线的基本使用就是利用一副天线产生多个波束卫星上使用多波束天线有许
多优点:它可以通过频率复用成倍地提高通信容量使得宝贵的频谱资源得以有效地利用;由于使用窄波束它有很高的增益可以使地面站的设备小型化这不仅可以大大减小系统成本而且对某些系统是必须的如卫星移动通信系统它要求卫星向地面提供较高的
EIRP
值以
使地面终端简化为此必须在星上使用多波束天线;同时多波束天线还可根
据需要产生扫描波束进行波束的重新组合从而使系统具有很大的灵活性
根据覆盖区域及要求的不同卫星多波束天线有4种可能的应用情况:¹覆盖区由多个分散的区域组成每个区域由单个波束覆盖º覆盖区为一较大的区域由多个连续的波束组成一个成形波束覆盖各子波束可同频也可不同频»覆盖区由多个分散的区域组成每个区域由单个波束覆盖并在不同的区域之间进行频率复用¹覆盖区为一较大
的区域但在成形波束的子波束间进行频率复用这几种情况的示意图见图1
本文受国家自然科学基金项目资助
收稿日期
1994一12一07中国空问科学技
术1995年
10
月
\自/
//
一自勿
一
每挺双
)
/、/
、、一/
(b)
口旬
图1波束排列情况
相应于以上不同的情况对天线有不同指标要求情况¹只要求天线能提供互不相关的单个波束;情况º必须考虑波束的宽度和交叠电平为避免对周围地区产生干扰国际电联对它的副瓣也做出了规定;情况»必须重视副瓣电平进行频率复用要求副瓣电平
不超过一25一一30dB;情况¹既要考虑交叠电平又要控制副瓣电平
多波束天线有3种基本类型:多元阵天线透镜天线和各种反射面天线由于对卫星天线质量和体积的限制透镜天线在卫星多波束天线中用得很少目前反射面天线在卫星上用得最广泛近年来由于有源多元阵的出现和发展有源多元阵天线有望在将来的卫星多波束天线中得到广泛应用本文对目前主要应用的几种卫星多波束天线包括它们的结构分析方法及适用范围进行了综述
2阵馈单反射面多波束天线
反射面天线由于其结构简单质量轻技术成熟一直是卫星天线的首选天线天线
反射面一般采用抛物反射面为避免馈源的阻挡及馈源和反射面间的相互藕合多采用偏馈反射面系统这种天线的几何结构见图2它是由偏馈的抛物面和位于焦点处的馈源阵
组成反射面处于馈源的远场区在这种天线中多个馈源照射单一反射面从而在服务区内形成多个子波束通过调整子波束的排列方
式及各馈源的激励系数就可以使合成波束对于所覆盖的特定服务区域赋形
在这种天线的设计中首先要确定天线的
几何参数包括反射面的口径D馈源高度h焦距F馈源尺寸馈源阵尺寸等这些
可以根据所要求的增益副瓣电平正交极化电平及交叠电平来决定然后再确定馈源的激励系数文献〔9」对此有详细的论述文献[1叼给出了计算天线几何尺寸的简单公式
图2馈源阵反射面天线的基本结构
天线的几何参数中反射面口径D和焦距口径比F/D是两个重要的参数D决定着天线的增益及单个波束的宽度F/D值影响天线的扫描性能与焦点波束相比波束偏离焦点时会使增益G下降波束展宽副瓣电平(SLL)增大波束形状畸变表1示出了F/xggs年20月
中国空间科学技术
D值对扫描波束(与焦点波束相比)的增益副瓣电平及波束宽度的影响程度F/I)值对
波束形状的影口问见图3
杖斌工哑亚亚
二外。0兰
2m反射面F/D~09(a)4d巷等值线77
00
反射器焦点扫描角
厂‘___
__
二一
一弓弓
又灭功以立卿乃
9100
3.2m反射面(b)F/D一1477004
dB
等值线
图3F/D值对扫描波束形状
的影响
表IF/D对天线性能的影响F/DG下降/dBSLL上升/dB波束展宽
032523314
0155071770510很小小60
很小小
注D一20几夕一10(夕为扫描波束和焦点波束间的夹角)
从表1和图3中可看出F/D值越大天线的扫描性能越好但F/D值增大使得整个天线的体积增大同时天线的口面张角变小这意味着天线的方向图要窄使得馈源
的尺寸变大不但使加工复杂且增加了天线的体积质量而这是卫星天线所必须避免的因此这些参数要折衷考虑天线的几何尺寸确定后可以根据几何参数算出每个馈源产生的场再对天线馈源的激励系数进行优化目前已有许多优化算法如最小二乘法最小最大法等在相关的文献〔’‘M‘2]中有具体的论述阵馈单反射面多波束天线结构简单技术成熟当要求的波束不多时用这种天线很理想INTELSATIvAV讥卫星天线都是这种天线在IN’rELSATv中C
波段天
线反射面口径为24mF/D为102馈源阵由89个喇叭馈源组成它提供了一个全球波
束两个半球波束和两个地区波束在INTELSATvl中C波段天线反射面口径为3ZmF/D为13馈源阵由145个喇
叭馈源组成(发射部分)它提供一个全球波束两个半球
波束和四个地区波束
3成形反射面天线
在阵馈反射面类型和多元阵类型的多波束天线中波束形成网络往往非常复杂而且还带来了相当的插入损耗增加了天线的体积和质量如果要求天线产生一个覆盖某特定地区的成形波中国空间科学技术1995年10
月
束就可以去掉馈源阵和波束形成网络用单个馈源和具有一定形状的反射面产生该特定的波束这样可以大大简化整个天线系统降低夭线的成本这种天线要设计成具有一定形状的反射面使该
反射面在近场口面上产生的场分布能产生所需要的方向图因此这种天线设计的关键是反射面形状的计算及反射面的加工工艺
迄今人们已提出了许多算法具体见相关文献[13〕「14」下面
简要介绍其中的一种算法这是一种迭代算法由三个步骤组成第一步是在具有
固定
幅度分布的近场口面上优化相位分布第二步根据口面场的相位分布计算反射面的形状第三步根据反射面的形状和馈源方
向图
计算口面上的幅度分布新的幅度分布做为下一次相位分布优化
时的幅度分布……这样迭代下去直到计算出的方向图满足要求为止图4示出了这种算法的过程迭代算法必须选择一个初始点一般用一个偏馈抛物面作为初始点
举一个用该算法计算的实例:用单个馈源和单个成形的反射面产生一个覆盖美国大陆的波束图5是初始抛物反射面
的
结构;图6是经过四次迭代后的成形反射面产生的远场方向
图
幅度分布相位分布
相位优化化反射面计算
口面场幅度计
算
相位优化化
反射面
图4反射面形状迭代算法这种天线的缺点是波束形状一旦固定就不易改变而且使用带宽也
有一定的限制
近
几年来人们采用了网状反射面用计算机控制反射面的重新组合来改变波束的形状其形状的改变也是有限的
近场口面
洲少〕一1/月
萨奢辉
氯
协入\又鑫酬胶炽灸卜一屯
隆攀霎
-一叫
‘馈源
厂又
/
方位
角
/()
图5初始抛物反射面结构F=250几R一125几Z一140之H=155几图6四次迭代后的远场方向图
4多元阵多波束天线
使用窄波束可以提高频率的利用率如果用窄波束组成一地区波束波束数必然很多;由于单反射面天线的扫描能力差使用单反射面天线产生这么多的波束其馈源数也将会