一種解決衛(wèi)星地面站對(duì)鄰星干擾的新方法*

周 濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

同步軌道衛(wèi)星通信技術(shù)是世界上最重要的通信手段之一，承擔(dān)衛(wèi)星廣播電視、數(shù)據(jù)通信等多種業(yè)務(wù)，因其具有傳輸容量大、實(shí)時(shí)性高、通信覆蓋地域廣等優(yōu)點(diǎn)，為世界各國(guó)廣泛應(yīng)用。目前，世界上使用的同步軌道衛(wèi)星通信頻段主要有C頻段、X頻段、Ku頻段和Ka頻段，其中，Ku頻段應(yīng)用最廣泛，衛(wèi)星軌道分布基本達(dá)到飽和程度，軌道密度很大。

Ku頻段同步軌道衛(wèi)星通過衛(wèi)星地面站形成全球性的通信網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星地面站天線一般采用拋物面天線實(shí)現(xiàn)，隨著天線技術(shù)的發(fā)展，有源相控陣天線成為未來衛(wèi)星地面站天線發(fā)展的方向。有源相控陣天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、波束控制靈活等特點(diǎn)，在小型地面站上已廣泛應(yīng)用，將來，也必將應(yīng)用到大型衛(wèi)星通信中心節(jié)點(diǎn)站或廣播電視衛(wèi)星地面站。

在大型地面站中應(yīng)用有源相控陣天線，可采用波束控制技術(shù)，在有效方向形成高增益波束，在其它方向，特別是指向鄰星的方向上，應(yīng)用零陷技術(shù)形成極高的波束抑制，有效避免對(duì)鄰星的干擾。

1 我國(guó)上空衛(wèi)星分布

根據(jù)現(xiàn)有資料，目前，我國(guó)上空可見的Ku頻段同步軌道衛(wèi)星共36顆，軌道覆蓋51°～163°，其中，我國(guó)衛(wèi)星共21顆，詳見表1。這些衛(wèi)星中，大部分軌道間距很近，甚至在同一軌道位置上有2到3顆衛(wèi)星共存，衛(wèi)星之間通過劃分極化和工作頻段等方式實(shí)現(xiàn)互不影響。

由于同步軌道上的通信衛(wèi)星使用相同的通信頻段，當(dāng)衛(wèi)星排列較密，而地球站天線波束較寬時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的鄰星干擾[1]。為避免干擾鄰星，國(guó)際電信聯(lián)盟無線電通信部門（International Telecommunication Union-Radiocommunications Sector，ITU-R）對(duì)地面站天線輻射特性以建議書形式進(jìn)行了規(guī)定。其中，建議書ITU-R S.465-6、ITU-R S.580-6、ITU-R S.1855等對(duì)地面站天線旁瓣特性進(jìn)行了約束。通過約束天線旁瓣，避免了地面站天線對(duì)鄰星的干擾，保證了衛(wèi)星頻率資源和軌道資源的高效利用[2]。

但這種約束限制了衛(wèi)星地面站的輻射功率，當(dāng)需要更大的主瓣輸出功率時(shí)，天線旁瓣信號(hào)的功率隨之增大，提高了干擾鄰星的可能性。采用陣列天線的零陷技術(shù)，可在鄰星方向形成較大的波束抑制，降低了對(duì)系統(tǒng)輸出功率的限制。

2 相控陣天線零陷技術(shù)

相控陣天線由多個(gè)天線輻射單元組成，通過相位控制技術(shù)形成較高的空間合成功率。相控陣天線普遍采用微帶線饋陣列天線、固態(tài)功放、大規(guī)模集成電路、高速計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)[3]。相控陣天線系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，相控陣采用T/R組件實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用，通過移相器實(shí)現(xiàn)波束控制，接收信號(hào)通過波束合成送入接收設(shè)備進(jìn)行處理，發(fā)射信號(hào)通過信號(hào)分配器分路，送入各發(fā)射單元。通過調(diào)節(jié)各移相器工作參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)相控陣天線波束指向、零點(diǎn)位置等。

表1 我國(guó)可視Ku頻段同步軌道衛(wèi)星

圖1 典型有源相控陣組成

調(diào)零技術(shù)是根據(jù)指定方位角度的不同，通過調(diào)整移相器，使相控陣形成一個(gè)對(duì)準(zhǔn)期望目標(biāo)衛(wèi)星的窄主波束，其它方向形成對(duì)準(zhǔn)鄰近衛(wèi)星的增益零陷，達(dá)到對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星正常收發(fā)，對(duì)鄰近衛(wèi)星方向無信號(hào)輸出的目的[4]。一般常用開環(huán)正交投影法設(shè)計(jì)零點(diǎn)角度。設(shè)空間有P個(gè)獨(dú)立不相關(guān)的方向，a0=a（θ0,φ0）為期望信號(hào)方向矢量，a1,a2,…,ap為非期望信號(hào)方向矢量。要使信號(hào)在期望方向最大接收，在非期望信號(hào)方向形成抑制，則加權(quán)因子W要求滿足：

由上式可看出，加權(quán)因子W垂直于由矢量a1,a2,…,ap所張成的空間U（即W屬于非期望方向矢量的補(bǔ)空間）。

由投影定理可知:給定希爾伯特空間H中的子空間U和矢量x，在U中必有唯一矢量PUx，使得對(duì)U中的任何矢量y均有：

PUx稱為x在U中的投影矢量。換句話說，由x-PUx張成的一維子空間與子空間U正交。因?yàn)镻Ux在子空間｛u｝中，所以可寫成：PUx=αu其中α為待定系數(shù)。根據(jù)投影定理有：

將上述理論推廣到一般情況。根據(jù)投影定理，矢量X到由u1,u2,…,um所張成的子空間U的投影為PUx。同理，矢量投影到U的投影矩陣為：

PU⊥為矢量投影到與U正交的子空間的投影矩陣。

所以矢量x對(duì)U（由u1,…,um所張成的子空間）的正交投影矢量為：

基于以上技術(shù)原理，得到零陷形成加權(quán)系數(shù)的設(shè)計(jì)方法。首先根據(jù)需求設(shè)計(jì)最大接收方向所需的加權(quán)系數(shù) WQ，確定非期望方向 θ1,θ2,…,θp投影到子空間的補(bǔ)空間PU⊥，計(jì)算合成以后的零點(diǎn)抑制幅度加權(quán)系數(shù)W∈PU⊥WQ。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析

某試驗(yàn)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一種大型、高功率地面站衛(wèi)星天線，該天線采用有源相控陣技術(shù)體制，陣列天線口徑為5 m，輸出功率不小于90 dBW。陣列天線波束仿真如圖2所示，主波束近軸方向圖如圖3所示。

圖2 天線寬角方向圖

圖3 天線近軸方向圖

天線主瓣波束寬度為0.2°，天線各旁瓣抑制特性見表2。

表2 天線旁瓣波束抑制

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟的規(guī)定，至少90%的天線旁瓣輸出功率應(yīng)低于主瓣功率10 dBi。從表2中可以看出，試驗(yàn)系統(tǒng)天線的第一旁瓣抑制為17.44 dBi，優(yōu)于國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)定數(shù)值。

通過與典型衛(wèi)星通信終端工作參數(shù)對(duì)比，能夠得到系統(tǒng)天線旁瓣是否會(huì)造成干擾。典型衛(wèi)星通信終端工作參數(shù)見表3。

表3 典型衛(wèi)星通信終端工作參數(shù)

系統(tǒng)第一旁瓣等效輸出功率為72.56 dB，超過典型衛(wèi)通終端的等效輻射功率，可能會(huì)造成干擾。這是因?yàn)橄到y(tǒng)等效輻射功率總體偏大，使得第一旁瓣在高抑制比條件下，仍然超過要求。

根據(jù)零陷原理進(jìn)行仿真，假設(shè)陣列天線法線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星方向，主波束指向?yàn)椋?°，0°），鄰近衛(wèi)星方向分別為（10°，0°）、（-10°，0°），在2個(gè)鄰近衛(wèi)星位置設(shè)計(jì)零點(diǎn)，調(diào)零波束仿真如圖4、圖5所示。

由仿真結(jié)果可知，在設(shè)定零點(diǎn)方向形成抑制約70 dB，綜合實(shí)際的對(duì)星準(zhǔn)確度和工程實(shí)現(xiàn)等問題，可實(shí)現(xiàn)不小于50 dB的抑制。如將零點(diǎn)設(shè)計(jì)在第一旁瓣處，等效輸出功率降為22.56 dB，不會(huì)對(duì)衛(wèi)星通信造成影響，解決了對(duì)鄰星的干擾問題。

圖4 天線波束零陷仿真

圖5 天線波束零陷仿真（局部放大）

4 結(jié) 語

有源相控陣天線技術(shù)是一種快速發(fā)展的技術(shù)，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域有很好的發(fā)展前景，應(yīng)用陣列天線的零陷技術(shù)，可有效解決對(duì)鄰星的干擾問題，對(duì)于大功率衛(wèi)星地面站的設(shè)計(jì)，具有較好的參考價(jià)值。但在工程應(yīng)用中，還有一些具體實(shí)現(xiàn)問題需要解決，比如，在不同的地理位置建站，天線對(duì)星俯仰角度不同，需要根據(jù)具體情況計(jì)算相應(yīng)的零陷角度；當(dāng)衛(wèi)星發(fā)生漂移時(shí)，也需要相應(yīng)的調(diào)整零陷角度。