地面站衛(wèi)通抗干擾輔助陣列饋源天線研究?

羅 康 王 青 楊 凱 李 斌

（海軍工程大學(xué)電磁能技術(shù)全國重點實驗室 武漢 410003）

1 引言

衛(wèi)星通信能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)某暰嗤ㄐ?，廣泛應(yīng)用于航天、農(nóng)業(yè)、氣象和軍事等領(lǐng)域。衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)的主天線通常為高增益的卡塞格倫、環(huán)焦雙反射面天線，反射面天線有較低的旁瓣電平（約-40dB），具有一定的抗干擾特性。然而，衛(wèi)星開放式和廣播式的通信方式使其下行鏈路極易受到地面大功率電子設(shè)備或其他有源設(shè)備干擾［1～3］。波束形成技術(shù)是一種有效的空域抗干擾方法，其原理是對輔助天線接收信號進行加權(quán)調(diào)整，與主天線接收信號合成，實現(xiàn)干擾抑制［4～8］。

伴隨著雷達抗干擾技術(shù)的發(fā)展［4～5］，自適應(yīng)旁瓣對消技術(shù)逐漸引入衛(wèi)星通信地面站抗干擾系統(tǒng)［9～12］。文獻［10］采用低頻信號調(diào)制和復(fù)數(shù)檢測技術(shù)，當(dāng)衛(wèi)星下行有用信號和干擾信號同頻時，測量獲得了40dB 以上的對消比。文獻［11］由波程差分析了衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)的寬帶對消場景，當(dāng)干擾來波方向未知時（假設(shè)主天線孔徑約100λ，輔助天線為全向小孔徑天線），最優(yōu)輔助天線個數(shù)為5，單元間距為55λ。文獻［12］提出了一種用于衛(wèi)星通信地面站抗干擾的帶內(nèi)功率最小化的方法，對于孔徑為1.2m 的主天線（VSAT 站）和孔徑為100m×90mm 的輔助天線（喇叭天線），測試獲得了約25dB的對消比。近年來，本文作者所在的團隊對衛(wèi)星通信地面站抗干擾技術(shù)進行了研究［13～15］。文獻［13］采用自適應(yīng)旁瓣對消技術(shù)，優(yōu)化了輔助天線增益、數(shù)量、陣列流形等對對消比、有用信號損失的影響，采用7 單元微帶天線線陣作為輔助天線，測試獲得了25dB 的對消比。文獻［15］采用2 單元橢圓寬波束微帶天線作為輔助天線，實現(xiàn)了對360°方位面任意來波方向干擾信號的有效覆蓋，測試獲得了27dB 的對消比。然而，上述文獻均未研究衛(wèi)星通信地面站主瓣抗干擾輔助天線的設(shè)計。

本文針對衛(wèi)星通信地面站主瓣抗干擾開展研究，提出了基于陣列饋源的波束形成方法。根據(jù)衛(wèi)星通信地面站抗干擾場景，通過分析不同輔助天線陣增益、主天線旁瓣增益等對輸出信干噪比的影響，推導(dǎo)了最優(yōu)輔助天線陣增益。以實驗室某衛(wèi)星通信地面站天線主瓣抗干擾輔助天線設(shè)計為例，提出了7 單元陣列饋源的方案，驗證了理論分析的正確性。

2 輔助天線陣增益和權(quán)值分析

根據(jù)波束形成的基本原理，輔助天線在干擾信號方向上的增益越大，對消效果越好。然而，這將導(dǎo)致輔助天線尺寸變大，不利于工程實現(xiàn)。為獲得最優(yōu)輔助天線增益，本節(jié)通過分析不同輔助天線陣增益對輸出信噪比的影響，以用于指導(dǎo)輔助天線設(shè)計。

2.1 波束形成基本原理

考慮陣列流形后，假設(shè)有I個干擾源、N 個輔助天線，主天線、輔助天線收到信號的分別為

其中，s、ci分別為有用信號、干擾信號，Gm、Gan分別主天線、輔助天線方向圖，(θS,φS)、(θi,φi)分別有用信號、干擾信號來波方向，Nm、Nan分別為主通道、輔助通道噪聲，gm、gmi、gan、gani為本文引入的中間變量。fn0、fs0、fci分別為輔助天線、有用信號、干擾來波方向的相位因子：

在最小均方誤差準(zhǔn)則下：

輔助天線最優(yōu)權(quán)值為

上式為經(jīng)典的維納一霍夫方程的解。其中，RCA為輔助天線陣列接收信號的協(xié)方差矩陣，RCM為輔助天線與主天線接收信號的協(xié)方差矩陣：

其中，Xa=[Xa1Xa2…XaN]T。

2.2 最優(yōu)輔助天線增益

為簡化分析，假設(shè)只有一個輔助天線，一個干擾源，各通道噪聲、干擾信號、通信信號之間互不相關(guān)。與此同時，衛(wèi)星通信地面站主天線的旁瓣電平通常約-40dB，且干擾信號功率遠(yuǎn)大于衛(wèi)通信號功率。因此：1）衛(wèi)通主瓣增益‖gm‖2通常比旁瓣增益‖gm1‖2大40dB；2）衛(wèi)通信號功率遠(yuǎn)小于通道噪聲功率；3）衛(wèi)通主天線的接收信號中，干擾信號功率不小于衛(wèi)通信號功率；4）干擾信號功率通常比通道噪聲功率大40dB。

理想條件下，自適應(yīng)旁瓣對消技術(shù)只消除主天線接收信號中的干擾信號，最優(yōu)權(quán)值為

單天線、單干擾源下的最優(yōu)權(quán)值為

此時，對消后的輸出信號為

對應(yīng)的輸出信噪比，即干擾抑制的理論上限為

其中，

上式為衛(wèi)通主天線接收信號的信噪比（不考慮干擾信號）。相比于干擾抑制前，干擾抑制后的信噪比會出現(xiàn)一定的惡化，輔助天線在干擾信號入射方向處的增益值越大，在衛(wèi)通信號入射方向處的增益值越小，惡化的程度越低。因此，在輔助天線設(shè)計時，應(yīng)該考慮盡量增大干擾信號入射方向的天線增益，減小在衛(wèi)通信號入射方向處的增益，且輔助天線干擾信號來波方向的增益要遠(yuǎn)大于主天線在此方向的增益。

根據(jù)式（14），圖1 為對消輸出信干噪比SINRout隨不同輸入信噪比SNRin（無干擾時）、主天線在干擾信號來波方向上增益gm1、輔助天線在干擾信號來波方向上的增益ga11的變化曲線。需要說明的是：地面站衛(wèi)通正常工作時，信噪比SNRin通常為8dB～12dB，旁瓣電平通常約-40dB，且旁瓣增益gm1通常不超過4dB?？梢钥闯觯?）由于主天線具有較低的旁瓣電平，SINRout基本不隨gm1變化；2）隨著ga11逐漸逼近12dB，SINRout逐漸收斂于SNRin。因此，針對上述場景，輔助天線在干擾信號來波方向上的增益應(yīng)大于12dB。

圖1 SINRout 隨ga11 變化曲線

2.3 最優(yōu)權(quán)值

在單天線、單干擾源條件下的，RCA、RCM可改寫為

由式（18）可知，‖ga11‖2越大，權(quán)值W0越趨近于Wopt，且式（18）第二項分子、分母的幅值均越大，有可能惡化理想條件下的對消性能。‖ga1‖2越小，由于此時的幅值遠(yuǎn)小于，對分母幅值的影響有限?？紤]到‖gm‖2比‖gm1‖2大40dB，的幅值遠(yuǎn)大于的幅值。因此，應(yīng)盡量降低輔助天線在有用信號來波方向上的增益，并增大其在干擾信號來波方向上的增益。假設(shè)‖ga11‖2較大、‖ga1‖2較小，干擾信號功率遠(yuǎn)大于通信信號功率，式（18）可近似為（遠(yuǎn)大于和，遠(yuǎn)大于和）：

此時，對消后的輸出信號為

對應(yīng)的信號與干擾噪聲之比為

由式（23）可知，提升對消后的信干噪比的途徑有：增大α2，減小β2和‖W0‖2。當(dāng)干擾信號被完全消除時，即α2=‖gm‖2、β2=0 時，對消后的輸出信噪比仍然會出現(xiàn)惡化。

3 輔助天線陣設(shè)計

第1 節(jié)針對衛(wèi)星通信地面站主天線的低旁瓣電平的工作場景，推導(dǎo)了最優(yōu)輔助天線增益和權(quán)值。本節(jié)在此基礎(chǔ)上，研究衛(wèi)星通信地面站主瓣抗干擾工程實現(xiàn)方法。

3.1 陣列饋源

主天線（卡賽格倫環(huán)焦雙反射面天線）與原波紋喇叭饋源天線仿真模型如圖2 所示（12.5GHz），原饋源增益為12.8dB，略大于第1 節(jié)分析的最優(yōu)輔助天線增益（ga11≥12dB）。本節(jié)采用基于微天線下的陣列饋源方案（易于加工），故陣增益應(yīng)大于原饋源增益12.8dB。圖2（a）中原饋源喇叭天線口徑為60mm，微帶天線單元采用半波長間距組陣時，最大可放入7 個單元，如圖3（a）所示。與此同時，微帶天線單元增益約為6dB，根據(jù)方向圖乘積因子，7個單元合成增益約14.4dB，故該陣列饋源增益具有一定的余量。

圖2 主天線與原饋源仿真方向圖

圖3 陣列饋源

陣列饋源天線單元矩形輻射貼片邊長為7mm（0.43λ）、7.8mm（0.48λ），由同軸探針饋電激勵TM01模式，單元間距為14.4mm（0.6λ）。采用Rogers 5880 介質(zhì)板，厚度為2mm，直徑為60mm，相對介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.001。陣列饋源加工實物如圖3（b）所示，采用該陣列饋源替代圖2（a）中的波紋喇叭饋源。

圖4 為陣列饋源掃描方向圖，在0°～40°的范圍內(nèi)掃描增益始終大于對應(yīng)角度的原饋源增益。根據(jù)第1 節(jié)分析，主天線反射面接收有用和干擾信號到陣列饋源，陣列饋源加權(quán)后，在干擾信號來波方向上產(chǎn)生等效的零陷，而在有用信號來波方向上增益損失相對較小，可獲得較好的抗干擾效果。

圖4 陣列饋源掃描方向圖

3.2 抗干擾效果

假設(shè)有用信號來自圖2（b）中-z軸方向（0°），干擾信號靠近主波束（1°）。根據(jù)第1 節(jié)仿真方法，可得全陣列波束方向圖如圖5 所示。由于陣列饋源可以復(fù)用主反射面，因此可以實現(xiàn)較好的主瓣抗干擾效果。對消中頻頻域波形如圖6 所示，可實現(xiàn)33dB 的對消效果，對有用信號信噪比損失為1.41dB。

圖5 全陣列波束方向圖

圖6 對消前后信號頻譜

由于Ku 頻段射頻損耗較大，衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)通常會在饋源處設(shè)置低噪聲放大器，或者采用低損耗的波導(dǎo)管使得低噪聲放大器可以遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)置。因此，開展本文饋源陣列的實驗分析需要改裝衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這將是本文的下一步工作，以驗證本文最優(yōu)輔助天線增益分析、陣列饋源的有效性。

4 結(jié)語

本文研究了衛(wèi)星通信地面站抗干擾輔助天線設(shè)計問題。首先，根據(jù)波束形成原理和衛(wèi)星通信地面站工作場景，建立了對消輸出信干噪比與輔助天線增益的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了最優(yōu)輔助天線增益，并分析了相應(yīng)的權(quán)值計算方法。然后，以實驗室某衛(wèi)星通信地面站天線為例，提出了陣列饋源的設(shè)計思路，7 個微帶天線單元組成陣列饋源。仿真結(jié)果表明，當(dāng)干擾偏離主波束1°時，可實現(xiàn)33dB 的對消比，信噪比損失為1.41dB。