X波段高隔離度雙信道多波束天線系統(tǒng)實現(xiàn)

王 磊，周國印，黃華東，汪進(jìn)軍

(1.武漢中原電子集團(tuán)有限公司研發(fā)中心，湖北 武漢 430205；2.北京特種車輛研究所，北京 100072)

0 引言

多波束天線是應(yīng)現(xiàn)代通信容量的快速增長及多目標(biāo)區(qū)域通信的發(fā)展需求而出現(xiàn)的[1]，能同時或按時序產(chǎn)生多個波束[2-3]。在通信系統(tǒng)中，多波束天線陣列能夠應(yīng)用在時常變化的無線環(huán)境中，有效對抗多徑衰落現(xiàn)象[4]，可以改變零陷所指方向來減少干擾，可以把主瓣指向需要的用戶從而減少能量消耗，也可以通過波束切換來提供更大的波束覆蓋[5]，而其空間分集特性也能改善信噪比、維持高數(shù)據(jù)傳輸率、提高信道容量[6]。

天線多波束的形成方式可以是天線本身，例如可重構(gòu)天線[7-8]，也可以是波束形成網(wǎng)絡(luò)[9]。波束形成網(wǎng)絡(luò)可以通過1個或者多個端口輸入，在多個輸出端口依次產(chǎn)生相等的相位差[10]，從而使得波束指向改變來實現(xiàn)多波束。形成多波束系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)主要有2類：一類采用電路方式，例如 Butler 矩陣[11-12]、Nolen 矩陣、T/R 組件構(gòu)成的相控陣[13-14]，以及 PIN 或 MEMS 構(gòu)成的開關(guān)電路網(wǎng)絡(luò)[15]；另一類采用準(zhǔn)光學(xué)的方式實現(xiàn)，例如 R-KR 透鏡、Ruze 透鏡、Rotman 透鏡和反射面等方式[16-17]。對于光學(xué)實現(xiàn)方式來說，透鏡或反射面的尺寸過大，加工復(fù)雜，而其優(yōu)點在于可以實現(xiàn)多個波束、帶寬寬。Butler 矩陣和 Nolen 矩陣等矩陣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點在于電路實現(xiàn)方便、成本低，而缺點在于形成波束數(shù)量有限、各個端口電路之間可能形成交叉[18]。T/R 組件構(gòu)成的相控陣對天線方向圖控制方式靈活，可以滿足各種方向圖要求，缺點在于移相器位數(shù)有限、制作復(fù)雜且成本昂貴[19]。PIN 或 MEMS 開關(guān)電路實現(xiàn)多波束數(shù)量有限、不靈活，但因其實現(xiàn)方便且造價低，適合大規(guī)模應(yīng)用[20-21]。

X波段多波束天線系統(tǒng)采用開關(guān)切換來實現(xiàn)快速多波束，利用圓柱共形布局實現(xiàn)方位360°覆蓋，當(dāng)環(huán)境發(fā)生改變時，天線能夠自動切換波束對準(zhǔn)。信令信號與業(yè)務(wù)信號采用獨立雙信道結(jié)構(gòu)，進(jìn)行頻率規(guī)劃并預(yù)留足夠?qū)掝l率間隔。全向/定向天線隔離度較高，信令信道與業(yè)務(wù)信道相互不干擾，可以實現(xiàn)快速節(jié)點更新與高速率業(yè)務(wù)傳輸。

1 應(yīng)用場景

X波段通信系統(tǒng)可組成獨立的通信系統(tǒng)，系統(tǒng)的作戰(zhàn)單元主體涵蓋坦克車、導(dǎo)彈發(fā)射車、無人車和無人機(jī)等，應(yīng)用于營級及以下編制，其3個典型應(yīng)用場景如圖1所示。

圖1 3種典型作戰(zhàn)場景

在通用作戰(zhàn)場景中，網(wǎng)內(nèi)包含多個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)隨作戰(zhàn)需求差異而形態(tài)各異，子網(wǎng)間耦合關(guān)系復(fù)雜。這就要求通信網(wǎng)絡(luò)在距離遠(yuǎn)的節(jié)點間能滿足系統(tǒng)最低通信速率要求，距離近的節(jié)點間能形成高速業(yè)務(wù)通道。

在突擊場景中，2～3個偵察子網(wǎng)節(jié)點處于戰(zhàn)場前端，形成鏈狀，戰(zhàn)場后端是通用作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)。這就要求偵察節(jié)點探測的目標(biāo)信息能迅速地擴(kuò)散至所有可以實施攻擊的節(jié)點，即要求網(wǎng)絡(luò)傳輸時延盡量短。

在關(guān)鍵節(jié)點場景中，2～4個運動子網(wǎng)處于劣勢位置無法直接通信，有一個優(yōu)勢節(jié)點存在于子網(wǎng)1中，能為劣勢位置子網(wǎng)提供高速數(shù)據(jù)鏈路，并把劣勢位置子網(wǎng)信息傳輸?shù)饺W(wǎng)中。這種網(wǎng)絡(luò)為一對多點的星狀網(wǎng)絡(luò)，要求關(guān)鍵節(jié)點具有高容量、靈活分配資源的能力。

3種典型作戰(zhàn)場景對通信節(jié)點提出以下要求：鄰居節(jié)點發(fā)現(xiàn)快、傳輸時延小及傳輸速率自適應(yīng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

針對作戰(zhàn)應(yīng)用環(huán)境對戰(zhàn)術(shù)通信設(shè)備提出嚴(yán)苛要求，在系統(tǒng)硬件架構(gòu)上采取信令/業(yè)務(wù)獨立雙信道，專用信令信道利用全向天線負(fù)責(zé)節(jié)點進(jìn)退網(wǎng)、鄰居節(jié)點發(fā)現(xiàn)、拓?fù)涓屡c維護(hù)等工作，專用業(yè)務(wù)信道利用分區(qū)定向天線實現(xiàn)方位快速多波束系統(tǒng)，滿足節(jié)點覆蓋要求。

2.1 雙信道結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，設(shè)備采用雙信道結(jié)構(gòu)工作，雙信道同時工作時，彼此可能會干擾對方工作。因此合理規(guī)劃信道工作頻點以及信道結(jié)構(gòu)是保證設(shè)備能正常工作的前提和基礎(chǔ)。

如圖2所示，系統(tǒng)要求信令信道發(fā)射時，同一時刻，對業(yè)務(wù)信道接收不產(chǎn)生影響，相反狀態(tài)也如此，因此必須要求2個信道的隔離度應(yīng)足夠大。

圖2 雙信道結(jié)構(gòu)

要保證發(fā)射機(jī)工作時不影響接收機(jī)正常工作，則系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)堅持以下2個原則：

① 由發(fā)射機(jī)引起的落在接收頻點f2上的邊帶噪聲功率電平應(yīng)小于接收機(jī)輸入端等效基底噪聲10 dB(對應(yīng)信噪比惡化0.4 dB)以上，不影響接收機(jī)的靈敏度指標(biāo)。

② 發(fā)射機(jī)輸出主功率信號通過空間耦合到接收機(jī)輸入端的信號電平不應(yīng)使接收機(jī)前端電路飽和，惡化接收機(jī)噪聲系數(shù)，進(jìn)而降低接收機(jī)靈敏度指標(biāo)。

為了滿足原則①可以采用以下措施：

① 增大雙信道收發(fā)頻點之間的間隔Δf。Δf越大，發(fā)射機(jī)輸出的邊帶噪聲受發(fā)射機(jī)功放非線性的影響越小，若Δf足夠大，一方面可以認(rèn)為發(fā)射機(jī)輸出的邊帶噪聲功率僅僅由發(fā)射鏈路的噪聲系數(shù)和增益決定；另一方面可以通過在發(fā)射機(jī)鏈路上增加濾波器來減弱發(fā)射機(jī)的邊帶噪聲功率。

② 增大雙信道收發(fā)天線的隔離度。在發(fā)射機(jī)邊帶噪聲功率一定的條件下，收發(fā)天線的隔離度越高，則落入到接收機(jī)上的干擾噪聲就越小。提高收發(fā)天線的隔離度可以通過增大收發(fā)天線間的距離來實現(xiàn)。

為了滿足原則②可以采用以下措施：

① 增大雙信道收發(fā)天線的隔離度。增大隔離度，可以減小發(fā)射機(jī)主用信號耦合到接收機(jī)輸入端的功率電平。

② 增大雙信道收發(fā)頻點之間的間隔Δf。通過接收機(jī)輸入端的濾波器來濾除發(fā)射機(jī)的主用信號，從而減小主功率信號對接收機(jī)的影響。

③ 提高接收機(jī)前端電路的IIP3值，增強(qiáng)對強(qiáng)干擾信號的適應(yīng)能力。

綜上分析，為了保證雙信道系統(tǒng)正常工作，需要以下保障條件：雙信道收發(fā)頻點之間的間隔Δf應(yīng)足夠大；雙信道收發(fā)天線的隔離度應(yīng)足夠高；接收機(jī)的IIP3值盡量高。

2.2 多波束天線

業(yè)務(wù)信道通過高隔離度、快速切換開關(guān)及分區(qū)天線實現(xiàn)快速切換定向多波束天線。定向天線增益可達(dá)12～13 dBi，通過快速切換技術(shù)，實現(xiàn)智能化全向覆蓋，提高寬帶數(shù)據(jù)定向傳輸?shù)囊苿有浴?/p>

2.2.1 高增益多波束天線

微帶天線單元的增益一般只有6～8 dB，為了增強(qiáng)天線的方向性，提高天線的增益，得到所需要的輻射特性，把若干個相同的天線按一定的規(guī)律排列起來，并給予適當(dāng)?shù)募?，這樣組成的天線系統(tǒng)稱為天線陣。

采用平板陣列天線，既要滿足天線的方向性、高增益，以得到所需要的輻射特性，通過合理陣元的類型、數(shù)目、排列方式、陣元間距以及陣元上電流的幅度和相位分布、反射板形狀及單元離反射板的高度等參數(shù)平衡，實現(xiàn)高增益、小體積和輕重量；同時，通過極化設(shè)計，避免移動通信中天線擺動影響極化方向，提高傳輸效率，其應(yīng)用前景廣闊。

2.2.2 高隔離度、快速切換多擲開關(guān)

通過單刀多擲開關(guān)實現(xiàn)高功率、快速切換、低插損和高隔離度，降低天線與信道互連復(fù)雜度，實現(xiàn)360°全向覆蓋?？焖偾袚Q為數(shù)據(jù)傳輸提高了傳輸效率，從物理硬件中釋放出來提升網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。所以，前端開關(guān)網(wǎng)絡(luò)解決了多波束天線在形態(tài)適應(yīng)性、物理傳輸自由度、網(wǎng)絡(luò)高效性等方面的技術(shù)難題。

2.3 硬件體系架構(gòu)

X波段雙信道多波束天線如圖3所示。頂部全向天線為一個獨立信道，負(fù)責(zé)信令收發(fā)。底部8個定向天線共用一個信道，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)收發(fā)，通過PIN切換開關(guān)實現(xiàn)方位面定向多波束，滿足方位面360°全向覆蓋要求。

圖3 多波束天線

3 全向天線設(shè)計

全向天線為了適應(yīng)裝車使用環(huán)境，設(shè)備體積不宜過大，因此應(yīng)盡量減小發(fā)射機(jī)的輸出功率，鑒于此，系統(tǒng)天線必須滿足高增益的要求。

綜合應(yīng)用需求和工程可實現(xiàn)性，天線采用同軸開槽天線方案。全向天線實物如圖4所示。

圖4 全向天線實物

仿真與測試的天線駐波系數(shù)如圖5所示，頻帶內(nèi)均小于1.5。仿真與測試的天線增益如圖6所示，頻帶內(nèi)增益大于6 dBi。全向天線三維方向圖如圖7所示，圖8和圖9分別為俯仰面與方位面方向圖，仿真與測試吻合良好，俯仰面波束寬度約20°，方位面不圓度優(yōu)于0.2 dB，具有良好的高增益與全向特性。全向天線頻帶內(nèi)增益、波束寬度與不圓度如表1所示。

圖5 仿真與測試的天線駐波系數(shù)

圖6 仿真與測試的天線增益

圖7 天線三維方向圖

圖8 天線俯仰面方向圖

圖9 天線方位面方向圖

表1 全向天線增益、波束寬度和不圓度

4 定向天線設(shè)計

分區(qū)定向天線結(jié)合快速切換PIN開關(guān)實現(xiàn)多波束天線。為了實現(xiàn)簡潔緊湊樣機(jī)，天線方位面設(shè)計為波束寬度約45°的寬波束，同時為了滿足顛簸路面使用要求，俯仰面波束寬度約30°。

采用2×2規(guī)模的單點探針饋電微帶陣列天線實現(xiàn)所需的帶寬和波束寬度，天線實物如圖10所示。仿真與測試駐波如圖11所示，頻帶內(nèi)小于1.8。天線三維方向圖如圖12所示，俯仰面與方位面方向圖如圖13和圖14所示，測試與仿真吻合良好，頻帶內(nèi)定向天線增益大于12 dBi，波束寬度滿足系統(tǒng)需求。定向天線頻帶內(nèi)性能如表2所示。

圖10 定向天線實物

圖11 天線駐波

圖12 天線三維方向圖

圖13 俯仰面輻射方向圖

圖14 方位面輻射方向圖

表2 定向天線增益和波束寬度

5 天線隔離度

在雙信道結(jié)構(gòu)論證中明確了收發(fā)天線高隔離度是保證雙信道系統(tǒng)正常工作的3個關(guān)鍵條件之一，對信令信道全向天線與業(yè)務(wù)信道定向天線隔離度進(jìn)行仿真與測試。

5.1 隔離度測試

天線隔離度測試場景如圖15所示。為了盡量與實際安裝使用環(huán)境類似，測試過程中將全向天線架高，放置在1 m×1 m鐵板的中心，架高高度為h，定向天線放置在鐵板上，與全向天線在水平面的距離為d，全向天線放在第1面和第8面定向天線中間的方位。

圖15 天線隔離度測試場景

天線隔離度測試步驟如下：首先測量2根饋電同軸線的損耗；然后發(fā)射天線通過同軸線接信號源，信號源信號強(qiáng)度設(shè)置為10 dBm；最后將接收天線通過同軸線接頻譜儀，頻譜儀讀數(shù)加上2根同軸電纜的總差損減去10即為2個天線的空間隔離度。

由于全向天線與定向天線安裝環(huán)境不同，引起的多徑效應(yīng)存在差異，對全向天線發(fā)射定向天線接收(全發(fā)定收)與定向天線發(fā)射全向天線接收(定法全收)2種隔離度測試，結(jié)果如表3、表4和表5所示。

表3 天線隔離度(h=1 m，d=0.2 m) (dB)

表4 天線隔離度(h=1.5 m，d=0.2 m) (dB)

表5 天線隔離度(h=1.5 m，d=0.6 m) (dB)

通過表3、表4和表5可以得出如下結(jié)論：全向/定向天線高度差越大，隔離度越大；水平面距離越小，隔離度越大；定向天線發(fā)射全向天線接收時的隔離度大于全向天線發(fā)射定向天線接收時的隔離度。

5.2 仿真與測試對比

測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖16所示。

圖16 天線仿真與測試隔離度

由圖16可知，天線隔離度典型值優(yōu)于70 dB，并且，測試隔離度波動范圍明顯高于仿真隔離度；測試隔離度整體高于仿真隔離度；仿真隔離度的范圍一定程度上體現(xiàn)了測試隔離度的下限。

分析造成上述情況的原因是多徑引起的。假設(shè)有一條輔徑，當(dāng)輔徑與主徑大體等幅度同相位時，多徑造成隔離度的下降最多3 dB；當(dāng)輔徑與主徑幅度大體相等，但是反相位時，多徑可大幅度提高隔離度，甚至達(dá)幾十個dB。

6 結(jié)束語

采用信令與業(yè)務(wù)分開的雙信道結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)高速率、快響應(yīng)的重要技術(shù)途徑?；诳焖偾袚QPIN開關(guān)的分區(qū)定向天線是形成多波束天線的重要手段。

全向天線采取同軸開槽方案，全向性能良好，頻帶內(nèi)增益大于6 dBi，方位不圓度優(yōu)于0.2 dB?；趩吸c饋電開發(fā)了2×2規(guī)模的微帶陣列，較好兼顧了增益與波束寬度，頻帶內(nèi)增益大于12 dB，方位與俯仰波束寬度約45°與30°實現(xiàn)了樣機(jī)緊湊化。仿真并測試分析了全向/定向天線隔離度，驗證了雙信道設(shè)計理論的有效性，也進(jìn)一步論證了整機(jī)良好的電氣性能?；陔p信道的多波束整機(jī)，在實際測試與試驗中具備良好通信效果，較好地滿足了復(fù)雜地形地貌的通信需求。