Ku頻段散射角分集天線技術(shù)

梅立榮，肖 卓，李 陽，李志勇，王棟良，劉麗哲，郎 磊，褚素杰，焦學(xué)強(qiáng)

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；3.中國人民解放軍96764部隊(duì)，河南 洛陽 471000)

0 引言

對流層散射通信是利用對流層散射信道進(jìn)行通信的一種超視距通信方式，具有抗核爆炸能力強(qiáng)、通信保密好、通信容量大、通信距離較遠(yuǎn)、機(jī)動性好等特點(diǎn)。

對流層散射通信的信道是一種擴(kuò)散衰落信道，因此，所接收到的信號存在著嚴(yán)重的衰落，導(dǎo)致通信鏈路質(zhì)量變壞，降低了通信系統(tǒng)的可靠性。為此，系統(tǒng)設(shè)計時，要盡可能地增加系統(tǒng)的抗衰落能力。分集接收技術(shù)是克服快衰落影響、提高系統(tǒng)信噪比最有效的一種措施，它將所需要傳輸?shù)男畔?fù)現(xiàn)成若干個基本獨(dú)立的信號，然后有效地合成起來，使信號相互彌補(bǔ)和加強(qiáng)，噪聲相互抵消，以獲得較強(qiáng)、較穩(wěn)定的信噪比。通常采用的分集方法有：空間分集、頻率分集、角分集、極化分集、時間分集、編碼分集等。目前空間分集及頻率分集在實(shí)際中應(yīng)用得較多，采用空間/頻率分集方式的對流層散射通信系統(tǒng)能夠很好地克服散射信道中的多徑和快衰落現(xiàn)象，但是在要求高機(jī)動的應(yīng)用中存在一定的局限性。因此，能夠減少設(shè)備數(shù)量的角分集技術(shù)成為了散射通信系統(tǒng)研究的技術(shù)熱點(diǎn)[1-5]，所謂角分集(Angle diversity)，是指不同到達(dá)角的信號之間的分集，就是用幾個不同的天線波束同時接收幾個不同角度方向來的信號，然后進(jìn)行合成的接收方式；由于散射信道中的多徑傳輸，使接收天線上不同到達(dá)角的信號相位、幅度均不相同，且不同到達(dá)角之差越大，信號之間的相關(guān)性越小。因此，可利用來實(shí)現(xiàn)角度上的分集接收。

本文擬研究散射通信系統(tǒng)中的角分集天線技術(shù)，通過該技術(shù)的研究，可使得原來兩副天線才能完成的任務(wù)通過一副天線就能實(shí)現(xiàn)，既減輕了設(shè)備體積和重量，又降低了成本，適合于散射通信系統(tǒng)的快速機(jī)動部署應(yīng)用。

1 散射通信角分集天線的國內(nèi)外現(xiàn)狀

在歐美，關(guān)于角分集技術(shù)在對流層散射通信中的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。1981年，Sigtron公司P.Monsen和S.A.Parl等對散射角分集技術(shù)進(jìn)行了大量理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)兩分集波束之間的夾角大于一個波束寬度時，接收到的角分集信號相關(guān)性很小，但是斜射損耗隨散射角增加而劇烈增加。對于窄帶信號最適宜的波束夾角近似為發(fā)射信號的1倍波束寬度；對于寬帶信號近似為發(fā)射信號的0.75倍波束寬度[6]。國際上采用角分集天線技術(shù)的散射通信設(shè)備的研究情況如表1所示。從表中可以看出，散射通信設(shè)備角分集天線主要集中在C頻段及Ku頻段，選取的天線面口徑在C頻段≥3 m，在Ku頻段≥0.75 m。

表1 國際上采用角分集技術(shù)的散射通信設(shè)備

設(shè)備名稱工作頻段天線尺寸/m發(fā)射機(jī)功率/kW通信距離/km英國TACTROPC4.51100～250法國AlcatelC4.60.5200～300意大利4TP1500L4.5/6/91中遠(yuǎn)距離美國TFLAC32美國DART-TKu2.41.25160美國TELOSKu0.750.25≥64俄羅斯C5.0

在中國，“七五”期間開展了關(guān)于散射角分集技術(shù)的相關(guān)研究，主要是16路的移動散射通信設(shè)備，它是一個配套齊全的車載散射通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了4.5 m折疊天線，饋源形式為并排放置的喇叭饋源，但是由于分集波束夾角太大，未能取得理想的分集效果；2000年，中國電科54所的楊可忠分析了采用多模饋源實(shí)現(xiàn)角分集的原理，并討論了利用多模饋源實(shí)現(xiàn)角分集的方案[7]。雖然開展了相關(guān)的技術(shù)研究，但是在散射角分集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)方面在中國還處于空白狀態(tài)。所以開展散射角分集天線技術(shù)研究及散射角分集的測試試驗(yàn)具有重要意義。

2 Ku頻段散射角分集天線設(shè)計

角分集天線是散射角分集通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，是能否實(shí)現(xiàn)角分集接收的關(guān)鍵技術(shù)。散射角分集雙波束的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示，分別偏離焦點(diǎn)的角分集饋源發(fā)出的兩個波束照射到反射面上，經(jīng)反射面反射后形成具有一定夾角的兩束高增益角分集波束。

圖1 偏置角分集天線波束成形原理

設(shè)計的Ku頻段散射角分集天線主要包括角分集饋源及偏置的拋物反射面，饋源為一個四端口、雙線極化、角分集的雙波束饋源。該饋源由正交模耦合器和介質(zhì)桿天線組成，在結(jié)構(gòu)上具有緊湊、簡單、穩(wěn)定、便于加工的特點(diǎn)。其基本原理如圖2所示。

圖2 角分集饋源系統(tǒng)組成

正交模耦合器是角分集天線饋源的關(guān)鍵部件，它賦予分集波束不同的極化方式，可以增加兩波束之間的隔離度，使分集波束更加獨(dú)立[8-10]。介質(zhì)棒天線的設(shè)計對角分集天線的性能起著至關(guān)重要的作用。介質(zhì)桿天線通過在開波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中加載介質(zhì)桿實(shí)現(xiàn)，介質(zhì)桿天線與其饋電波導(dǎo)一樣具有低剖面和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠很好地和饋電波導(dǎo)兼容[11-14]。在角分集天線饋源中引入介質(zhì)桿天線代替饋源喇叭，可以有效地減小饋源的橫向尺寸，有利于波束夾角的優(yōu)化。

將正交模耦合器及介質(zhì)桿天線組合形成的角分集饋源模型如圖3所示，其中端口1和端口4是水平極化端口，端口2和3為垂直極化端口。

圖3 角分集饋源仿真模型

將角分集饋源與反射面組合形成的角分集天線模型如圖4所示[15]。

圖4 角分集天線仿真模型

通過仿真得到的角分集天線增益結(jié)果匯總?cè)绫?所示，角分集天線波束寬度及波束夾角關(guān)系的結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 角分集天線增益仿真數(shù)據(jù)匯總

角分集天線頻率/GHz增益/dBiP1P2P3P4fL45.845.545.445.8f046.146.245.846.1fH46.346.346.246.3

表3 角分集天線波束寬度與波束夾角仿真數(shù)據(jù)匯總

頻率/GHzfLf0fH半功率波束寬度/(°)P10.660.640.62P20.650.650.64P30.660.630.61P40.640.610.61波束夾角/(°)P(1,4)0.70.680.66P(2,3)0.70.660.66波束夾角倍率P(1,4)1.071.081.07P(2,3)1.061.041.05

從表2和表3中可以看出，角分集天線的偏焦損耗小于0.5 dB，波束夾角大約為1倍波束寬度，基本滿足進(jìn)行分集接收要求。

3 Ku散射角分集天線樣機(jī)及角分集性能測試

在設(shè)計和仿真的基礎(chǔ)上研制了Ku頻段散射角分集天線樣機(jī)，如圖5所示。

圖5 角分集天線樣機(jī)

利用研制的角分集天線構(gòu)建了散射角分集性能測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)組成原理如圖6所示。

圖6 角分集測試原理

通過發(fā)射端的常規(guī)單天線發(fā)送單頻信號，接收端采用角分集天線以不同的角度接收來自發(fā)射端的信號，通過Ku散射通信設(shè)備將信號進(jìn)行放大和變頻后，獲取兩個具有一定頻率間隔的信號，經(jīng)合路器合成后送入頻譜分析儀進(jìn)行測試分析。

測試距離為135 km，發(fā)射功率為49 dBm時，角分集相關(guān)系數(shù)測試計算結(jié)果如表4和表5所示。其中端口1和4是一對角分集信號。

表4是慢變化情況下(更新速率1 s,20 mim內(nèi)的數(shù)據(jù))的角分集相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果，表5是快變化情況下(更新速率20 ms,1 min內(nèi)的數(shù)據(jù))的角分集相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果。仰角0表示接收到的信號電平幅值端口1和端口4基本一致；仰角0.3表示接收到的信號電平幅值端口1比端口4大；仰角-0.45表示接收到的信號電平幅值端口1比端口4小。

表4 慢變化情況下的角分集相關(guān)系數(shù)

仰角/(°)角分集相關(guān)系數(shù)(端口1和4)00.580.30.48-0.450.32

表5 快變化情況下的角分集相關(guān)系數(shù)

仰角/(°)片段名稱角分集相關(guān)系數(shù)(端口1和4)0數(shù)據(jù)10.513 3數(shù)據(jù)20.5730.3數(shù)據(jù)10.371數(shù)據(jù)20.465 6-0.45數(shù)據(jù)10.53數(shù)據(jù)20.456

由上述測試計算結(jié)果可知，在慢衰落及快衰落情況下，角分集天線獲得的角分集相關(guān)系數(shù)最大為0.58，小于0.6，滿足進(jìn)行分集接收的條件，初步驗(yàn)證了采用所研制的角分集天線開展Ku散射角分集通信設(shè)備研制的可行性。

4 結(jié)束語

在現(xiàn)有散射通信系統(tǒng)中，采用空間分集來克服信道的快衰落影響需要收發(fā)端配置兩副或者兩副以上的天線，這樣便使得通信設(shè)備的天線數(shù)量較多、成本高。散射角分集體制的使用使得原來兩副天線才能完成的任務(wù)通過一副天線就能實(shí)現(xiàn)，減少了天線數(shù)量，降低了成本，同時還減小了設(shè)備體積和重量，增加了系統(tǒng)機(jī)動性。從研制的角分集天線及角分集性能試驗(yàn)結(jié)果看，在135 km試驗(yàn)鏈路上獲得的散射角分集相關(guān)系數(shù)小于0.6 ，滿足進(jìn)行分集接收的條件，初步驗(yàn)證了采用所研制的角分集天線開展Ku散射角分集通信設(shè)備研制的可行性，并可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的研究工作。