淺談DBF技術(shù)在衛(wèi)星監(jiān)測工作中的應(yīng)用

周凌霄

（國家無線電監(jiān)測中心云南監(jiān)測站，云南 昆明 650000）

0 引言

近年來，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展勢頭迅猛，已逐步實(shí)現(xiàn)成熟的商業(yè)運(yùn)營。然而，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用在帶來全球信息互聯(lián)互通的同時(shí)，也隱藏著較大的國家無線電安全隱患，從無線電監(jiān)測角度考慮，掌握互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座在我國境內(nèi)的無線電覆蓋情況已經(jīng)迫在眉睫。

隨著相控陣天線技術(shù)的逐漸成熟及生產(chǎn)成本的大幅下降，美國的SpaceX公司已經(jīng)在其衛(wèi)星星座starlink衛(wèi)星天線及地面終端中大量使用了相控陣天線。因此，相控陣天線的應(yīng)用對(duì)于衛(wèi)星通信和衛(wèi)星無線電監(jiān)測將是未來的主要趨勢。

1 相控陣天線簡介

相控陣天線可以采用多種形式，最常見的有四種：一是有源電子掃描陣列（AESA），是目前商用的主要類型；二是無源相控陣（PESA），這種相控陣天線有著一定的成本優(yōu)勢；三是混合束形成相控，目前國內(nèi)部分廠家開始向這方面嘗試；四是數(shù)字波束形成（DBF）陣。

過去幾年中設(shè)計(jì)的大多數(shù)相控陣天線都使用模擬波束成形，這種類型相控陣天線每一個(gè)波束都需要一組A/D轉(zhuǎn)換器和波束形成器。但是，隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字波形成形技術(shù)被越來越多地關(guān)注，在DBF相控陣天線中，每一個(gè)天線陣元都配備一組A/D轉(zhuǎn)換器，其來波相位調(diào)制可集成在A/D轉(zhuǎn)換器中以數(shù)字的方式進(jìn)行，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，DBF相控陣天線可以實(shí)現(xiàn)非常多的波束，這種多波束的特性對(duì)于規(guī)模巨大的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星有較好的監(jiān)測切合性。

在選擇相控陣天線時(shí)，可以從應(yīng)用場景來分析，根據(jù)需求來確定天線所需要的波束數(shù)量，能夠承擔(dān)的天線功耗及天線成本。數(shù)字波束成形方法通常每個(gè)天線單元都需要有一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，這會(huì)使得DBF天線具有較高的功耗，但這種特性使得DBF天線在構(gòu)建多波束方面提供了很大的靈活性。所選用數(shù)模轉(zhuǎn)換器需要有不錯(cuò)性能，這給DBF相控陣天線帶來了高成本的劣勢[1]。

對(duì)于模擬波束相控陣天線，由于無法對(duì)每個(gè)陣元進(jìn)行數(shù)字化處理，所以模擬相控陣天線每增加一個(gè)波束就需要增加一個(gè)波束成形通道。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，模擬相控陣天線每增加一個(gè)波束，天線的體積幾乎就會(huì)增大一倍；當(dāng)然天線的功耗也隨著快速增加。由于電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，目前模擬波束相控陣天線很難做到4波束以上。

現(xiàn)在國內(nèi)市場上出現(xiàn)了一些模擬和數(shù)字結(jié)合的相控陣天線，利用模擬和數(shù)字方式的結(jié)合，可以減少數(shù)字相控陣天線的成本，同時(shí)使得多波束天線的體積不會(huì)增加得那么快，目前這是相關(guān)產(chǎn)品的一個(gè)主要方向。

2 DBF技術(shù)

對(duì)于數(shù)字波束形成（DBF）相控陣天線，在其陣列中每個(gè)元件都采用數(shù)字接收器或者激勵(lì)器，每個(gè)陣元采用的接收器或者激勵(lì)器將天線中每個(gè)陣元上接收到的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理[2]。將每個(gè)陣元收到的信號(hào)數(shù)字化處理之后，就可以在后端使用FPGA以數(shù)字的方式形成天線波束。通過這種方法，DBF技術(shù)可以使相控陣天線同時(shí)形成多個(gè)天線波束。

圖1 DBF相控陣天線波束圖

從相關(guān)資料中，我們可知DBF相控陣天線的原理如下：假設(shè)接收天線是一個(gè)有著N個(gè)陣元的均勻面陣列天線，通過數(shù)字多波束加成器，對(duì)N各陣元進(jìn)行加權(quán)，根據(jù)使用者要求，對(duì)相同的數(shù)據(jù)改變不同的權(quán)重因子，以形成不同指向的波束，然后將波束內(nèi)接收到的信號(hào)送后續(xù)處理單元。通過這種方式一個(gè)N陣元的DBF天線，理論上可以同時(shí)形成N-1個(gè)獨(dú)立的波束[3]。

圖2 DBF天線構(gòu)造

3 DBF相控陣天線優(yōu)勢

DBF相控陣天線對(duì)于無線電監(jiān)測應(yīng)用有許多的好處，首先，相對(duì)傳統(tǒng)拋物面天線相控陣天線普遍擁有快速波速成形、可靠性高及空間占用較小的優(yōu)勢。其次，DBF技術(shù)能夠較為方便地合成許多不同指向的波束，相對(duì)于模擬相控陣天線，數(shù)字波束成形技術(shù)還有如下優(yōu)勢。

（1）DBF技術(shù)是在A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信息上對(duì)天線的幅度相位進(jìn)行加權(quán)調(diào)整，而模擬波束成形是在模擬域上利用移相器和衰減器等器件進(jìn)行，當(dāng)模擬相控陣天線的波束數(shù)量增加時(shí)，硬件設(shè)備量將成倍增加，給安裝調(diào)試等帶來很大問題，這使得DBF相控陣天線在構(gòu)型上實(shí)現(xiàn)多波束比模擬相控陣天線具有很大優(yōu)勢。

（2）DBF相控陣天線通過FPGA控制能夠快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀、方向和數(shù)量的波束成形，只需程序控制即可改變天線的波束，能夠相對(duì)容易地實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收/發(fā)射的自適應(yīng)性，同時(shí)能夠較好地抑制天線副波瓣接收到的信號(hào)[4]。相對(duì)于傳統(tǒng)的拋物面天線或者模擬相控陣天線，這些天線在波束網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)確定后，天線的波束圖就被固定了，后期使用時(shí)不能進(jìn)行更改。

（3）DBF技術(shù)因?yàn)槭紫冗M(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息進(jìn)行處理，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在信號(hào)處理之前能夠保存較多的信息到處理端。而模擬波束成形，在波束形成之時(shí)就將大量信號(hào)信息丟棄，損失了大量的信號(hào)信息。

4 DBF相控陣天線監(jiān)測應(yīng)用

數(shù)字波束形成技術(shù)因?yàn)橛凶銐蚨嗟牟ㄊ?，所以足夠滿足各大互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座部署完成之后的日常監(jiān)測需求，可以對(duì)覆蓋區(qū)域內(nèi)的多個(gè)下行波束進(jìn)行全信號(hào)實(shí)時(shí)跟蹤。

同時(shí)在后端接收機(jī)允許的情況下，可以使用盲搜方式對(duì)監(jiān)測覆蓋區(qū)域進(jìn)行深度監(jiān)測，在使用盲搜方式進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測時(shí)，DBF技術(shù)所能提供的強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，使得監(jiān)測范圍內(nèi)的信號(hào)搜索時(shí)間相對(duì)于目前常用的模擬相控陣天線會(huì)有很大變化。

下面對(duì)DBF相控陣天線盲搜能力進(jìn)行探討。利用DBF相控陣天線，水平放置，對(duì)法線60°范圍信號(hào)進(jìn)行掃搜，監(jiān)測范圍為俯仰30°以上范圍，對(duì)低軌衛(wèi)星550 km測算，監(jiān)測半徑約為950 km，將DBF相控陣天線監(jiān)測范圍按監(jiān)測需要?jiǎng)澐譃榫鶆虻摹靶^(qū)”，天線的若干個(gè)波束以固定速度輪詢各個(gè)“小區(qū)”，對(duì)各小區(qū)設(shè)定一定權(quán)重的電平觸發(fā)門限，當(dāng)相控陣天線波束輪詢到某一小區(qū)電頻值超過該“小區(qū)”電平觸發(fā)門限時(shí)，記錄該“小區(qū)”方位俯仰信息，由其他天線系統(tǒng)進(jìn)行跟星和監(jiān)測測量。盲搜監(jiān)測方式對(duì)天線后端的信號(hào)處理設(shè)備要求很高，需要在后端處理設(shè)備上有較大的投入。

5 結(jié)束語

由于目前國內(nèi)民用市場還沒有相關(guān)產(chǎn)品，國外對(duì)此類產(chǎn)品出口有一定的出口限制?；谏鲜鰯?shù)字波束形成技術(shù)的優(yōu)勢，后期在國內(nèi)技術(shù)逐步成熟的條件下，同時(shí)在成本下降到可接受的范圍時(shí)，采用DBF相控陣天線是應(yīng)對(duì)NGSO星座監(jiān)測的較為不錯(cuò)的天線選擇。