卫星通信多波束天线综述

卫星通信多波束天线综述

周乐柱1

,李 斗1

,郭文嘉

2

(11北京大学电子学系,北京100871;21北京卫星信息工程研究所,北京100080)

摘 要: 多波束天线广泛应用于各种卫星通信系统,本文综述卫星通信多波束天线的有关问题,比较了各种方案的优缺点,指出了有待研究的有关课题.

关键词: 卫星通信,多波束天线,点波束覆盖

中图分类号: TN82 文献标识码: A 文章编号: 0372-2112(2001)06-0824-05

Revie w of Multiple -Beam An tennas for Satellite Communica tions

ZHOU Le -zhu 1,LI Dou 1,GUO Wen -jia 2

(11De pt.o f Ele ctronic s ,Pe king U nive rsity ,Be ijing 100871,China;

21Institute o f Bei jing Sate llite Information Engineering,Be ijing 100080,China )

Abstract: Multiple -beam antennas have found wide use in a variety of applications involving satellite communications.In this paper a sum mary of several structure schemes of mul tiple -beam antennas for satellite communications is presented,and a comparison about their advantages and d rawbacks are also made.Some topics to be further researched are pointed out.

Key words: satellite communications;multiple beam antennas;spot beam coverage

1 引言

卫星通信技术始于六十年代,七十,八十年代得到蓬勃发展,九十年代,个人移动通信的应用又给卫星通信的发展注入了新的动力.天线技术是卫星通信的关键技术.多波束天线(MBA )))Multiple Beam Antenna)由于其能够高增益地覆盖较大的地面区域而且又能根据需要调整波束形状而得到深入研究和广泛应用[1~12]

,表1给出了几个卫星通信系统的星载多

波束天线.

表1 几个卫星通信系统的星载多波束天线

Globalstar IRIDIUM Odyssey MAGSS -14

轨道高度(km)1,40178510,35410,355天线类型直接辐射相控阵

直接辐射相控阵反射面式直接辐射相控阵

点波束数

16

3@16

上行37,下行

32

37

多波束天线是能够同时产生多个子波束(点波束),从而覆盖地面上所关心的区域的天线系统,根据不同的通信需要,子波束和总波束的关系大致可分为几种情况:固定区域点波束覆盖,非固定区域点波束覆盖和赋形束覆盖.

(1)固定区域点波束覆盖

固定区域点波束覆盖是指所有的点波束彼此独立地照射地面上不同的固定区域,总的波束则覆盖有关国家和地区,这种点波束方式往往用于同步卫星通信系统,近年来也应用于非同步卫星通信系统,称为所谓/凝视天线(staring antenna)0

图1 SPACEWAY T M 系统覆盖亚太地区的多点波束分布图[7]

系统.这种系统,当卫星移动时,天线始终照射着某一固定区域并保持波束覆盖图不变,直到该区域边缘的仰角小于最小仰角.图1给出了美国Hughes 公司的SPACEWAY TM 系统中覆盖亚太地区的两颗通信卫星的天线的多点波束分布图[7].

(2)赋形束覆盖

赋形束覆盖是指点波束在地面上相互迭加,得到的辐射方向图形成所需要的图形$赋形束,这种方式也往往用于同步卫星通信系统.

赋形束的概念在二十多年前就提出来了[8],其天线由反射面和单个馈元或由少量的馈元组成的馈元阵组成(后者可以看成多波束天线).任何形状的方向图都可以通过设计反射面的形状,在光学口面产生所需的振幅和相位分布来实现,而

收稿日期:2000-04-24;修回日期:2001-02-22

基金项目:国家863计划项目(863-317-03-06-99),国防科工委卫星应用技术重点项目(T97#04)

第6期2001年6月电 子 学 报ACTA ELECTRONICA SINICA Vol.29 No.6

June 2001

图2 采用口面综合设计的赋形反射面

天线覆盖美国大陆的方向图[

6]

图3 卫星通信天线系统Ku 波段覆盖日本全境的赋形方向图[11]

反射面的形状的设计,可用几何光学或物理光学方法[9,10].这样得到的天线称为赋形天线.图2给出了采用口面综合设计的赋形反射面天线所得到的覆盖美国大陆的方向图[6].

实现方向图调整,得到赋形束的另一方法是调整MBA 的馈元阵各辐射元激励的相位和振幅[11~13].图3给出了日本电报电话公司研制的多波段卫星通信天线系统Ku 波段覆盖日本全境的赋形方向图[11].它采用偏置Gregorian 反射面系统以消除交叉极化,调整7个喇叭馈源的激励实现所需的方向图.

(3)

非固定区域点波束覆盖

图4 37个点波束覆盖的示意图

非固定区域点波束覆盖是指所有点波束在3dB 处彼此相互连接,总波束覆盖一定面积的区域,但覆盖区域随卫星的运动而移动.这种方式往往用于非同步(低,中轨)卫星通信系统.使用这种卫星通信系统,当地面终端由于卫星的运动(和由于地面终端本身的运动)从一个点波束下移动到另一个点波束下时,由于采用了波束切换技术,通信不会受到影响.图4给出了37个点波束覆盖的示意图,美国的Odyssey,欧洲航天局的MAGSS-14移动卫星通信系统就是采用这种37束的点波束覆盖.

MBA 有三种基本类型:反射式MBA,透射式MBA 和直接

辐射相控阵MB A.一般来说,反射式MBA 和透射式MBA 重量较轻,结构简单,设计技术比较成熟,因而最先得到广泛应用;相控阵MB A 随着MMIC 技术和固态功率放大技术的发展也应用于卫星天线.它具有一系列好于前二者的优点,如较高的口面效率,没有泄漏损失,没有口面遮挡,可靠性高等;然而其重量较重,结构和制造工艺复杂,以及功率损耗较高等缺点也是不容忽视的.

本文简要论述几种MBA 的结构,特点及有待研究的有关课题.全文分为四节,本节为引言,第二节介绍反射式MB A 和透射式MB A ,第三节介绍相控阵MBA,第四节指出了有待研

究的有关课题.

2 反射式MBA 和透射式MBA

反射式MB A 和透射式MBA 具有相似的结构,通常由聚束器件(反射镜或透镜),初级辐射器阵列(喇叭或其他天线阵列)已及其他有关组件(如馈源阵相位振幅控制器(PAC),束形成网络(B FN)等)组成,有多种类型:

)按聚束器件的数目可分为单口面式或多口面式;

)按初级辐射器的数目可分为单喇叭式或多喇叭式;)按形成点束的方式可以分为基本成束法或增强型的成束法.

因此,实际的MBA 可能有多种组成方案,如单口面多喇叭反射式MBA,多口面多喇叭透射式MBA 等等,基本目标是使最小覆盖区域(一个点波束内)的增益取极大值,同时兼顾低旁瓣和交叉极化电平的要求.以下着重阐述单口面设计和多口面设计、多喇叭阵列的基本成束法和增强型成束法以及反射式设计和透射式设计等几种最常用的类型的原理、结构、优缺点等有关问题.

211 单口面设计和多口面设计

MB A 的多个波束可以通过一个口面产生,也可以通过多个口面产生,分别称为单口面设计和多口面设计.近年来,已有不少作者对单口面设计和多单口面设计进行了比较研究[14~16].研究表明,与单口面MBA 相比,多口面MBA 确实具有增益高,旁瓣电平低及抗干扰性能好的优点.

图5给出了单口面,三口面和四口面设计产生19个点波束的示意图.从图中可以看出,对单口面设计,所有的波束均是由同一个口面产生的,而对多口面设计,相邻的波束是通过不同的口面产生的.也就是说,同一口面产生的波束在地面是

被其它口面产生的波束分隔开的.这样一来,对多口面设计,同一口面产生的波束的最小间隔(对应于两波束中心的距离或半功率宽度)就分别增加到单一口面时的3倍(对三口面)或2倍(对四口面),如图所示.较大的束间隔使得我们可以扩大喇叭口径来减小泄漏,从而提高增益和改善旁瓣水平.加拿大的一个军事卫星通信系统采用了多口面MBA,用四个介电透镜实现了全球覆盖[14].

P.O.Iversen,L.J.Ricardi 和W.P.Faus t 比较了四透镜四喇叭MB A 和单透镜多喇叭MBA 的性能[15].他们的理论分析表明,四透镜四喇叭MBA 的增益比单透镜单喇叭MBA 和单透镜三喇叭MBA 的增益分别增加了214dB 和018dB,但比单透镜七喇叭MBA 的增益仅增加013dB.S.D.Gray 比较了单口面

825

第 6 期周乐柱:卫星通信多波束天线综述