星載數(shù)字多波束相控陣天線若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、多波束天線技術(shù)是提高衛(wèi)星通信容量和覆蓋性能的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。隨著數(shù)字信號(hào)處理器件和微波單片集成電路（MMIC）技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字多波束相控陣天線技術(shù)應(yīng)用于LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)已成為可能。星載天線多波束賦形技術(shù)、射頻通道間的幅相誤差分析和校正以及DBF系統(tǒng)的非線性失真特性分析與測試等是數(shù)字多波束相控陣天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)的解決對(duì)星載數(shù)字多波束相控陣天線系統(tǒng)的研制起著重要的作用。本文針對(duì)這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

2、 在LEO衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，“等通量”覆蓋和最佳波束賦形是提高星載天線覆蓋效率、保證最大系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)。與接收天線的波束賦形不同，發(fā)射天線的波束賦形除了滿足主、旁瓣的要求外，還必須考慮陣列幅度加權(quán)對(duì)功率放大器效率的不利影響。論文提出了一種有限幅度加權(quán)的波束賦形新方法，并采用雙重編碼遺傳算法實(shí)現(xiàn)陣列加權(quán)矢量的優(yōu)化。通過有限位長的二進(jìn)制編碼把陣列加權(quán)矢量的幅度離散化來實(shí)現(xiàn)有限幅度加權(quán)，使幅度加權(quán)值僅僅在幾個(gè)離散的臺(tái)階上變化，縮小了搜索

3、空間，提高了算法的收斂速度；同時(shí)對(duì)陣列加權(quán)矢量的相位采用實(shí)數(shù)編碼，保持了解的精確性。為了克服遺傳算法的“早熟”，在采用自適應(yīng)交叉和變異概率的基礎(chǔ)上，提出一種“物種多樣性”選擇保留策略，使算法更有把握達(dá)到全局最優(yōu)解或準(zhǔn)全局最優(yōu)解。理論分析和仿真結(jié)果表明，該方法能夠在賦形波束的低旁瓣特性和功率放大器的高效率之間取得較好的折衷。 射頻通道間的幅相誤差對(duì)DBF系統(tǒng)的性能有著重要影響，是DBF系統(tǒng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。通?？紤]幅相誤差對(duì)DBF系

4、統(tǒng)旁瓣電平、波束指向、方向圖增益等性能指標(biāo)的影響。近年來，誤差矢量幅度（EVM）作為評(píng)估通信系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制質(zhì)量的一個(gè)指標(biāo)，已經(jīng)在許多商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中獲得了應(yīng)用，它表征了實(shí)際測量信號(hào)與參考信號(hào)之間的誤差。論文以EVM指標(biāo)為評(píng)估對(duì)象，利用概率統(tǒng)計(jì)的方法分析了DBF系統(tǒng)射頻通道間的幅相誤差對(duì)通信信號(hào)調(diào)制性能的影響，并通過仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。研究表明，引入EVM指標(biāo)不僅可以更加全面地反映DBF系統(tǒng)幅相誤差所引起的傳輸信號(hào)的損傷，而且可以簡化D

5、BF系統(tǒng)測試的復(fù)雜度。 在多變的空間環(huán)境中，射頻通道的幅相特性會(huì)隨著溫度、時(shí)間的變化而改變，因此，DBF系統(tǒng)中通道間的幅相誤差必須進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。在研究幾種常用的星地環(huán)路校正技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種m/WH復(fù)合正交碼的星地環(huán)路校正新方法，研究表明該方法具有更好的魯棒性；并進(jìn)一步針對(duì)LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中附加路徑損耗對(duì)校正性能的影響進(jìn)行了仿真分析。 在星載相控陣天線系統(tǒng)中，雖然星地環(huán)路校正方法可以較好地實(shí)現(xiàn)通道間的幅相誤差的校

6、正，但是校正系數(shù)的獲得容易受到星地鏈路的影響。因此，論文提出了一種校正DBF系統(tǒng)發(fā)射射頻通道幅相誤差的星上校正方法，該方法在發(fā)射通道中同時(shí)注入多路正交碼變換的校正測試信號(hào)，通過接收多路發(fā)射機(jī)輸出的合成信號(hào)，在基帶校正算法單元利用正交碼的時(shí)間相關(guān)性和IDFT并行處理方法，同時(shí)得到多路射頻通道的校正系數(shù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以有效地實(shí)現(xiàn)發(fā)射射頻通道幅相誤差的校正。 發(fā)射組件是有源相控陣天線系統(tǒng)的核心部件，而發(fā)射組件的功率放大器又

7、是發(fā)射組件的最關(guān)鍵部件，也是有源相控陣天線系統(tǒng)的最基本和最重要的部件。它直接決定了有源相控陣天線系統(tǒng)的性能和可靠性。它也是星載數(shù)字（發(fā)射）多波束相控陣天線系統(tǒng)中非線性失真的主要來源，非線性產(chǎn)生的帶內(nèi)失真和帶外失真將直接影響DBF系統(tǒng)的性能。本文首先針對(duì)多波束系統(tǒng)，建立了表征互調(diào)波束特性的數(shù)學(xué)模型，對(duì)三階互調(diào)波束進(jìn)行了仿真分析；然后，通過ADS軟件，構(gòu)建了DBF系統(tǒng)級(jí)仿真模型，結(jié)合CDMA以及OFDM通信體制，分析了DBF系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的帶外