一種通信衛(wèi)星天線性能預(yù)測技術(shù)

雷繼兆 王艷麗 李殷喬 袁俊剛 張鴻鵬 孫治國

（1 中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）（2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

1 引言

通信衛(wèi)星采用通信天線技術(shù)，提供足夠的等效全向輻射功率（EIRP）和接收時(shí)的天線品質(zhì)因數(shù)（G／T）值，滿足地面與衛(wèi)星間的通信需求。目前，通信衛(wèi)星正朝著大容量、多功能的方向發(fā)展，要求能夠?yàn)槎嗟貐^(qū)提供通信業(yè)務(wù)，這使得衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)中須搭載多副通信天線［1］。通信衛(wèi)星中，星載天線一般采用反射面式［2-3］。目前，反射面天線的設(shè)計(jì)和加工已經(jīng)非常成熟，單天線設(shè)計(jì)與實(shí)際測試結(jié)果吻合很好［4］。

然而，隨著星載反射面天線越來越多，布局越來越擁擠，在整星構(gòu)型布局中難免會(huì)因星體或其他結(jié)構(gòu)部件的存在，造成散射影響。例如靠近衛(wèi)星安裝板的饋源和反射器會(huì)在星體上產(chǎn)生繞射和反射形式的散射，影響天線增益、極化，對EIRP和G／T值造成影響，特別是對存在增益梯度變化較大的滾降區(qū)的衛(wèi)星影響更大，同時(shí)多副通信天線間存在耦合，造成衛(wèi)星電磁兼容性問題，影響了衛(wèi)星通信性能。

目前，國內(nèi)對整星條件下天線性能和耦合影響的工作較少，通信衛(wèi)星天線設(shè)計(jì)階段考慮整星影響時(shí)一般采用視場分析手段，而以電磁波等效為光線的視場分析對天線的假設(shè)不夠準(zhǔn)確，而且無法考察多副天線間的耦合。為了獲取整星條件下通信天線的最終性能，在整星研制階段安排了無線試驗(yàn)來解決該問題，由于對天線性能惡化沒有在設(shè)計(jì)階段提前充分識別，在整星階段依靠測試來驗(yàn)證最終性能，存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。法國泰雷茲（THALES）公司、美國波音、洛馬等公司在通信衛(wèi)星研制過程中已經(jīng)針對天線星體相互耦合影響問題，開展了深入的技術(shù)研究工作，并已開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)的軟件工具對該問題在設(shè)計(jì)階段加以解決。

本文提出采用GRASP軟件中的幾何繞射理論（GTD）算法［5-6］，對整星條件下通信衛(wèi)星天線性能和耦合影響進(jìn)行分析，此方法可應(yīng)用于衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)階段，優(yōu)化天線性能和布局，從而改善整星電磁環(huán)境，提前規(guī)避技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2 GRASP軟件GTD 算法說明

GTD 算法是基于射線的電磁學(xué)算法。將電磁波等效為射線，在散射體表面反射，在散射體邊緣繞射［7-8］。計(jì)算的總電場Ez為反射場Ef和繞射場Er的總和。

反射和繞射射線遵從廣義費(fèi)馬原理。廣義費(fèi)馬原理認(rèn)為反射和繞射射線按照最短路程傳播。

GTD 算法的核心是射線尋跡。反射和繞射射線遵循反射定律和繞射定律，反射和繞射示意如圖1所示。

反射定律：

式中：lx為x方向反射標(biāo)量；r1為反射點(diǎn)到源點(diǎn)的單位矢量；r2為繞射點(diǎn)到反射點(diǎn)的單位矢量；tx為反射點(diǎn)x方向的切向單位矢量。

圖1 反射、繞射射線尋跡示意圖Fig．1 Ray tracing of reflection and diffraction

式中：ly為y方向反射標(biāo)量；ty為反射點(diǎn)y方向的切向單位矢量。

式中：ln為法向反射標(biāo)量；n為反射點(diǎn)的法向單位矢量。

繞射定律：

式中：ld為繞射標(biāo)量；t為繞射點(diǎn)的切向單位矢量。

對于多散射體的尋跡問題，通常采用數(shù)值尋跡算法，對每條反射和散射路徑進(jìn)行計(jì)算，得到總函數(shù)：

式中：fR為反射標(biāo)量平方和平均值。

式中：fD為繞射標(biāo)量平方和。

式中：F為反射繞射標(biāo)量總和；N為反射射線的數(shù)目，M為繞射射線的數(shù)目。

若F＝0，則反射定律和繞射定律均滿足，即為正確的射線路徑。其次對反射和繞射射線進(jìn)行遮擋判斷，如果射線路徑被物體遮擋，則對射線進(jìn)行排除。

根據(jù)射線類型的不同，射線場的求解公式也不盡相同，然而無論反射場還是繞射場存在一個(gè)一致性的表達(dá)形式：

式中：R0為觀察點(diǎn)；Q表示各種射線形式的作用點(diǎn)，如反射時(shí)的反射點(diǎn)、繞射時(shí)的繞射點(diǎn)等；是一個(gè)并矢，表示各種射線形式的并矢作用系數(shù)，如反射時(shí)的并矢反射系數(shù)等；A（s）表示場沿射線的振幅衰減因子；e-jks則是相應(yīng)的相位衰減因子。場值求解，主要解決的是并矢的求解，它由曲面的幾何信息以及射線尋跡的作用點(diǎn)決定。

天線間的耦合度表達(dá)式如下：

式中：C為天線間的耦合度，k為波數(shù)，r為兩副天線間的距離，Et（θt，φt）為發(fā)射天線在接收天線方向的方向系數(shù)，Er（θr，φr）為接收天線的方向系數(shù)。

耦合度可以用dB 表示為CdB＝log20｜C｜，因此，如果CdB＝-80dB，表示當(dāng)發(fā)射天線以1 W 的功率發(fā)射時(shí)，接收天線接收到的功率為10-8W。

3 實(shí)際應(yīng)用

3．1 星載受擾方向圖

仿照某通信衛(wèi)星構(gòu)造一個(gè)衛(wèi)星模型，東西板各安裝兩副偏置賦形單反射面天線。西天線工作頻率為6GHz，機(jī)械口徑尺寸為2．3m，采用水平和垂直雙線極化工作。東天線工作頻率為13．75GHz，機(jī)械口徑尺寸為1．8m。對地面上安裝兩副賦形格里高利雙反射面天線，工作頻率13．75Hz，機(jī)械口徑尺寸為0．85 m。衛(wèi)星平臺本體包絡(luò)尺寸為2．1 m×2．4m×3．7 m，太陽翼尺寸為12．16 m×2．36 m。衛(wèi)星整體模型如圖2所示，采用整星坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)位于衛(wèi)星本體中心，＋X軸指向衛(wèi)星東板，-X軸指向衛(wèi)星西板，＋Z軸為衛(wèi)星對地面方向。

圖2 通信衛(wèi)星模型Fig．2 Telecommunication satellite model

本文采用GRASP軟件中的GTD 算法，對東西天線進(jìn)行了單天線和整星情況下的波束覆蓋區(qū)仿真，圖3和圖4給出了東天線和西天線受星體影響前后的增益覆蓋區(qū)，圖5給出了西天線受星體影響前后的交叉極化隔離度覆蓋區(qū)，其中實(shí)線為單天線結(jié)果，虛線為受星體影響后的結(jié)果。從圖3～5中可以看出，由于受到星體散射和繞射的影響，某些區(qū)域在受星體影響后，天線增益和交叉極化隔離度（XPD）下降到指標(biāo)線以下，不能滿足衛(wèi)星技術(shù)指標(biāo)要求，該地區(qū)的通信質(zhì)量將受到影響，表1給出了通信天線受到星體影響后覆蓋區(qū)域內(nèi)的指標(biāo)符合性百分比。由此可見，開展整星條件下通信天線性能分析是很有必要的，可以對整星條件下天線性能進(jìn)行預(yù)測，提前發(fā)現(xiàn)和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 西天線受星體影響前后波束覆蓋區(qū)Fig．3 Beam contours of west antenna with and without satellite body

圖4 東天線受星體影響前后波束覆蓋區(qū)Fig．4 Beam contours of east antenna with and without satellite body

圖5 西天線受星體影響前后XPD 覆蓋圖Fig．5 XPD contours of west antenna with and without satellite body

表1 有無星體天線性能變化統(tǒng)計(jì)Table 1 Differences of antenna performance with and without the satellite body

3．2 星載天線間耦合度

由于通信衛(wèi)星信道存在非線性，產(chǎn)生的互調(diào)雜波會(huì)通過天線耦合進(jìn)入其他信道中產(chǎn)生雜波干擾。因此，通過優(yōu)化天線布局來降低天線間耦合影響，可以提高衛(wèi)星電磁兼容性能。針對在對地面上安裝的雙反射面天線，采用式（10）的耦合度計(jì)算原理，本文從兩方面進(jìn)行了耦合度分析。

（1）將反射面天線2沿著Y向從-0．5m 向＋0．5m平移，如圖6（a）所示，計(jì)算耦合度曲線，如圖6（b）所示，可見在這段范圍內(nèi)平移時(shí)，天線間耦合度在-52．25dB 到-64．13dB 間變化，在位置-0．03m處，天線間耦合度最小，為-64．13dB。

（2）將反射面天線2沿著主反射器頂點(diǎn)坐標(biāo)系定義的＋Z軸旋轉(zhuǎn)-180°到180°，如圖7（a）所示，計(jì)算耦合度曲線，如圖7（b）所示，可見在這段范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，天線間耦合度在-53．24dB到-65．77dB之間變化，在旋轉(zhuǎn)角為90°處，天線間耦合度最小，為-65．77dB。

可見通過優(yōu)化天線間的布局，可以將兩副天線間的耦合度降低一個(gè)量級，顯著減少了多副天線間的相互耦合。因此，在進(jìn)行衛(wèi)星總體布局設(shè)計(jì)時(shí)，可以按照天線間耦合度最小的位置進(jìn)行布局，盡量降低天線間的耦合影響，從而改善衛(wèi)星電磁兼容環(huán)境。

圖6 移動(dòng)反射面天線的耦合度Fig．6 Coupling of moving reflector antenna

圖7 旋轉(zhuǎn)反射面天線的耦合度Fig．7 Coupling of rotating reflector antenna

5 結(jié)束語

預(yù)測整星條件下的天線性能已經(jīng)成為通信衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的重要課題。本文針對通信衛(wèi)星天線逐漸增多，受星體或其他結(jié)構(gòu)部件散射，電磁環(huán)境日益惡劣的問題，提出采用GRASP 軟件中的GTD 算法，可以對通信衛(wèi)星天線性能進(jìn)行提前預(yù)測，分析結(jié)果表明：

（1）衛(wèi)星星體和天線布局對通信天線增益和天線間耦合度會(huì)產(chǎn)生顯著影響，提前開展整星條件下天線性能預(yù)測是很有必要的；

（2）對于采用多副天線的通信衛(wèi)星，在完成整星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)后，應(yīng)對通信天線在整星上的布局進(jìn)行分析，對整星條件下的天線性能和天線間的耦合進(jìn)行優(yōu)化，可以提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

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