数字多波束天线系统研究与设计

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 4.82MB 66 页 15积分

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 研究课题的意义 ............................................1

§1.2 国内外研究状况 ............................................1

§1.3 关于本课题 ................................................2

第二章系统总体方案 ................................................ 4

§2.1 多波束天线技术简介 ........................................4

§2.1.1 多波束天线的分类 .................................... 4

§2.1.2 多波束天线结构 ...................................... 5

§2.1.3 平面阵的波束形成原理 ................................ 7

§2.1.4 多波束天线阵列波束成形原理 .......................... 9

§2.2 多波束天线总体设计 .......................................13

§2.2.1 平面阵列微带天线 ................................... 13

§2.2.2 多通道接收机 ....................................... 15

§2.2.3 DBF 多波束形成器 ....................................16

§2.3 本章小结 .................................................16

第三章多波束天线设计 ............................................. 17

§3.1 微带天线设计 .............................................17

§3.1.1 辐射单元设计 ....................................... 17

§3.1.2 阵列结构设计 ....................................... 18

§3.2 多通道接收机设计 .........................................21

§3.2.1 单元接收机系统结构 ................................. 21

§3.2.2 接收机幅/相校正 .................................... 24

§3.2.3 接收机仿真 ......................................... 32

§3.3 基于 FPGA 的 DBF 多波束形成器设计 ..........................33

§3.3.1 DBF 多波束形成器的 FPGA 设计 .........................33

§3.3.2 DBF 多波束形成系统可行性论证 ........................39

§3.3.3 基于 FPGA 的 DBF 原理样机 ............................ 41

§3.4 本章小结 .................................................45

第四章多波束天线系统性能测试 ..................................... 46

§4.1 微带天线测试 .............................................46

§4.2 多通道接收机测试 .........................................47

§4.2.1 中心频率、带宽和带内起伏的测试 ..................... 49

§4.2.2 相位一致性测试 ..................................... 50

§4.2.3 频率响应图 ......................................... 50

§4.2.4 幅/相校正后接收机的性能测试 ........................ 51

§4.3 数字多波束形成器测试 .....................................53

§4.4 本章小结 .................................................54

第五章总结与展望 ................................................. 55

§5.1 总结 .....................................................55

§5.2 展望 .....................................................56

附录 .............................................................. 57

参考文献 .......................................................... 60

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 63

一、发表论文 ...................................................63

二、科研项目 ...................................................63

致谢 .............................................................. 64

摘要

随着现代通信多元化的发展，高质量，大容量，高覆盖率的卫星通信起到了

越来越重要的作用。为了满足这些要求，在现代卫星通信中采用了很多的新技术，

具有波束空间隔离、极化隔离和多重频率复用等优点的多波束天线就是其中非常

重要的一项。本文从多波束天线的组成结构上，分别提出了微带天线、多通道接

收机和多波束形成器三部分的设计方案并验证了方案的可行性，且对它们的模型

进行了测试及验证。

本文首先分析了多波束天线的基本原理、组成结构和关键技术，并在此基础

上提出了总体设计方案。

然后从组成结构上，分别对微带天线、多通道接收机和多波束形成器三部分

设计进行详细介绍。在对微带天线的设计中，考虑到对辐射单元进行选择，设计

和优化，以及阵列辐射单元排列方式的最优化；在对多通道接收机的设计中，考

虑接收机系统结构幅相的不一致，及幅相的校正；在对多波束形成器的设计中，

设计 7×3多波束形成器，以便获得初步的实验数据，验证是否达到预期的性能。

最后对其中的微带天线、多通道接收机和多波束形成器三个模型进行了测

试。结果表明对微带天线的测试中，增益方向图的误差得到了有效的控制；多通

道接收机的幅相一致性在进行算法修正后得到了很好的改善；多波束形成器原理

样机得到的波束图形很好地满足应用要求。

关键词：多波束天线微带天线多通道接收机多波束形成器

ABSTRACT

With the development of modern communications, satellite communications of

diversified, high-quality, high-capacity, high-coverage has played a more and more

important role. In order to meet these requirements, a lot of new technology has been

used. The multi-beam antenna is a very important one, which has advantages of

beam spatial segregation, segregation and polarization multiple frequency reuse. In

this paper, designs of micro-strip antenna, multi-channel receiver and multi-beam

forming part, three parts of multi-beam antenna structure, was proposed. And their

models were testing for validation .

Firstly, this paper introduces the basic principles, structure and key technology of

multi-beam antennas, and proposes top design based on that.

Secondly, this paper demonstrates the design of micro-strip antenna,

multi-channel receiver, and three multi-beam forming part of the design respectively

in detail. In the micro-strip antenna design, the author put forward the selection,

design and optimization of the radiation unit, and the most optimal manner of the

array element. In the multi-channel receiver design, the author put forward receiver

system structure ，and the amplitude and phase correction. In the formation of the

multi-beam design, the author designed 7×3 multi-beam former, and obtained a

preliminary experimental data to verify the desired performance.

Finally, the author tested models of micro-strip antenna, multi-channel receiver

and multi-beam forming part. The results show that error of micro-strip antenna gain

pattern has been effectively controlled, and the amplitude and phase coherence of

multi-channel receiver gets a good improvement, and graphics of multi-beam forming

part is nice to meet the application requirements.

Key Word: DBF antenna, Multi-beam Antenna, Multi-channel

receiver, Multi-beam forming part

第一章绪论

§1.1 研究课题的意义

上个世纪末，随着个人通信和 Internet 的迅猛发展，国外空间技术发达国家，

都以发展小卫星为契机，开拓卫星应用的新领域，其应用领域包括通信、遥感、

科学研究、技术演示、星际探测与教育等方面，其中应用的热点是移动通信。移

动通信包括 LEO 卫星通信系统：Globalstar 系统、Iridium 系统和 Orbcomm 系统。

Iridium 是大 LEO 系统的代表，主要业务是语音与多媒体通信，代表卫星通信的最

高水平；而 Orbcomm 是小 LEO 系统的代表，主要业务是短数据通信[1]。

随着对卫星通信容量需求的不断增加，以及通信卫星用户费用的减少，通信

卫星设计者采取了诸多措施来满足这些要求。多波束天线(Multiple Beam Antenna)

由于能够以高增益来覆盖较大的地面区域，而且又能根据需要调整波束形状，因

而受到了各国的广泛重视。卫星上使用多波束天线有许多优点，可以使波束空间

隔离和极化隔离，达到多重频率复用，从而加大了可用带宽，使通信容量大幅度

增加，有限的频谱资源得到有效的利用[1]。就地球站天线而言，随着多种应用卫星

时代的到来，总会有多颗卫星被推入相距不远的同步轨道，因此用一副地球站天

线接入多颗卫星的多波束天线就越发显得重要了[2]。

天线形成多波束可以采用模拟方式，也可以用数字方式。前者主要采用衰减

器和移相器等模拟器件，在微波射频部分或中频部分合成多波束。这种模拟方法

形成多波束的主要缺点是旁瓣电平高、稳定性差、更重要的是对付干扰无自适应

调零能力。与传统的模拟多波束技术相比，数字波束形成技术（DBF）具有不漂

移、不老化、工作可靠、可自检、可编程、精度高（动态范围和处理精度仅受模

数转换器取样位数的限制）等一系列优点。

为了使我国能够在轨道资源和电磁空间资源越来越紧张的今天抢占先机，迫

切需要建立星座通信系统。2005 年、2006 年和即将召开的 2007 年星座卫星通信

论坛充分论证了这一点。通信星座系统为了同时满足频率复用、高数据传输率、

以及对旁瓣和方向图能进行控制等要求，需要采用平面阵列多波束天线。因而，

数字多波束天线的研究迫在眉睫。

§1.2 国内外研究状况

在轨的 Iridium 和Globalstar 等卫星系统的星载平面阵列多波束天线已经采用

了有源相控阵技术。

数字多波束天线系统研究与设计

2002 年，美国航空集团研发成功的一款利用 FPGA 信号处理芯片实现 DBF

的智能天线阵[3]。该 DBF 系统工作在 L波段((1. 8GHz-2GHz )，实际工作频段由天

线应用需要和 FPGA 处理的要求而定。数字波束形成接收阵有 8个阵元，使用超

高速的 8bit A/D 变换器，采样后的中频信号在 FPGA 中完成数字信号的实时校正

和DBF 处理。结果表明 FPGA 可以对系统接收数据进行实时的 DBF 处理。该系

统最大工作带宽 200MHz，但是由于 FPGA 的限制，实际的实时工作带宽比这个值

要低。

2004 年，NASA 美国宇航局和美国空军合作研究了一种尺寸为 2×50 米的大

孔径 L波段天基雷达[4]。数字波束生成器是该天基雷达上重要的子系统，其利用

32 单元的天线阵列和 DBF 技术完成数字合成孔径雷达和动目标指示的功能。

采用 FPGA 作为 DBF 处理器的核心器件，完成阵列相干波束形成的复杂的运算。

该系统中 DBF 的运算实现过程，采用一种坐标旋转数字计算机 CORDIC(Coordinate

Rotation Digital Computer)的计算方法实现数字相移和组合器的过程。通过 Verilog

HDL 硬件语言编程，在 Xilinx Virtex-II FPGA 上实现，数据最高输入速率可达到

25. 6Gbi t/s。

2006 年发射的 Inmarsat-4 通信卫星配置 DBF 有效载荷，可以形成 228 个点波

束。欧洲的 Artemis 卫星采用 DBF 技术的系统信道数量是采用模拟波束形成网络

的2倍，而两者的等效质量基本相同（前者为 172.5Kg，后者为 184.2Kg）。

目前，国外正在积极开发更为先进的多波束有源相控阵天线技术。例如，阿

尔卡特公司针对 SkyBridge 系统研制的 Ku 波段“凝视”波束有源相控阵天线。这

种先进的多波束天线几乎利用了有源相控阵技术的所有能力：多波束覆盖，可重

新配置波束，波束扫描与时分多址（TDMA）帧定时同步，并且利用先进的多芯

片模块（MCM）技术实现所需的功率和功能部件微小型化。

由于我国存在着军用与民用短数据通信的巨大需求，因此从 2000 年下半年开

始，中科院、上海市、总参等开始筹划建立我国具有自主知识产权的低轨卫星通

信系统并进行立项论证，上海市科委在十五规划中也立项支持星座若干样机的研

制。由于这项工作目前还停留在理论研究阶段，况且研制成本高、风险较大，国

内开展低轨卫星通信多波束天线的研究和研制的单位非常少。上海微小卫星工程

中心正在致力这方面的研究。

§1.3 关于本课题

本课题是上海微小卫星工程中心某预研项目中的子课题。研究的目的是对多

波束天线中的的关键技术进行研究，从而提出适合我国地轨道卫星使用的多波束

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目录摘要ABSTRACT第一章绪论........................................................1§1.1研究课题的意义............................................1§1.2国内外研究状况............................................1§1.3关于本课题................................................2第二章系统总体方案..................................................

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