相控阵雷达搜索域的最佳覆盖

相控阵雷达的独特优点是工作方式的灵活性,它在完成给定空域搜索的同时,还对可观测空域内的多目标进行跟踪。从能量和时问的观点来看,合理设计相控阵雷达的搜索工作方式对提高可跟踪目标数是很有价值的。本文对相控阵雷达天线波束排列和波束覆盖问题加以分折,从能量的利用效果来阐述波束排列和波束覆盖的合理性,并以波束覆盖损失和波束利用系数来比较几种波束覆盖方式的利弊。     

星载DBF多波束发射有源阵列天线

 低轨通信卫星大容量、终端小型化要求卫星采用多波束天线技术来实现高增益、宽覆盖.本文针对低轨CDMA通信系统,设计了具有近"等通量"覆盖的平面阵列多波束发射天线,该天线由61微带单元天线阵、61个发射射频通道和数字波束形成网络组成;数字波束成形网络对输入的16个波束信号进行正交化、加权处理输出61路中频信号,由发射射频通道完成上变频和信号放大,最后通过天线阵辐射出去在空间形成期望的16个赋形波束覆盖.文章详细介绍了天线的实现方法和试验结果,通过对16波束发射天线原理样机的测试,结果表明天线各指标都符合设计要求,有效验证了天线系统设计的正确性.     

一种宽带多波束微带阵列天线的设计与实现*

针对目前多波束切换天线研究中存在的带宽窄、性能低等问题,通过基于Butler 矩阵的馈电网络整体结构设计和差分移相器快速设计方法研究,实现了具有23%带宽的宽带多波束合成网络;通过V 形缝隙矩形贴片和变形双仔枝节耦合馈电设计,展宽了微带阵列单元天线带宽;设计实现了4×2个阵元的宽带、高增益、多波束移动通信天线系统,测试结果表明:在整个工作频段内该天线系统四个波束能够无缝覆盖90°工作扇区,驻波比小于1.5,波束增益达到16dBi。     

一种DBF体制卫星接收共形相控阵天线

提出了一种全数字波束合成(digital beam forming, DBF)体制卫星接收共形相控阵天线设计思路.该天线采用半球形共形阵排布方式, 阵元采用双层微带贴片天线实现宽带圆极化.在半球形的布局下, 通过判断卫星信号来波方向在球面上的投影来选择工作的阵元, 形成与来波方向一致的波束, 在全空域(—75°~75°)的仰角内可实现增益起伏小于1.5 dB的波束覆盖; 后端采用射频数字一体化设计技术, 可同时形成多个波束, 实现了一个天线跟踪多颗卫星的能力.最后加工和测试了天线样机, 验证了共形半球阵的波束形成能力.提出的天线设计思路有助于拓展数字波束体制在卫星通信中的应用, 对全空域多波束相控阵天线的研制具有指导意义.     

智能天线跟踪波束与切换波束的比较

首先从波束形成或控制的角度界定了2类智能天线—跟踪波束智能天线(以下简称跟踪波束系统)和切换波束智能天线(以下简称切换波束系统)。其次分别介绍了其中关键部分:跟踪波束系统的自适应方法和切换波束系统的波束选择方法的设计考虑。跟踪波束系统的自适应方法是利用基于Lagrange公式的自适应算法跟踪最强信号源,而切换波束系统的波束选择方法则是基于正确波束接收的信号必然比任何其他波束接收的信号强这个事实。最后,依据其性能和所需的复杂度对跟踪波束系统和切换波束系统作了比较。     

新型宽带数字多波束相控阵天线设计

传统相控阵天线系统为实现多波束,在重量、体积、功耗等方面会有明显的增加,系统的基本可靠性也显著降低。基于软件无线电思想,利用超外差结构实现宽带信号变频,并对瞬时带宽内的信号同时进行模/数或数/模变换,再根据串口提供的每个波束方位、俯仰和频率等信息,在基带实现数字多波束形成。设计了一套S频段、瞬时宽带100MHz的数字多波束相控阵天线系统。测试结果表明,该天线可收发同时形成3个独立波束,每个波束在俯仰面0°~70°、方位面全向的扫描范围内实现EIRP值不小于40 dBm,G/T值不小于-20 dB/K的优良指标。该设计可以有效提高系统灵活性,降低系统的复杂度。     

太赫兹超材料相控阵天线波束宽度调控方法

太赫兹超材料相控阵由于其强大的波束操纵能力在探测与通信一体化系统中具有重要的应用价值。为了提升系统的通信和探测性能,需要太赫兹超材料相控阵能够实现宽波束和窄波束的灵活切换。提出了一种基于反相位间隔(反相)编码的太赫兹超材料相控阵天线波束宽度调控方法。通过天线3 dB波束宽度表达式和目标波束宽度逆推阵列规模,保持其相位编码不变并对该阵列规模外的其余阵元进行反相编码,旨在实现相位相反相消。仿真结果表明,所提方法可以准确地调控太赫兹超材料相控阵天线的波束宽度,实现宽波束和窄波束的灵活切换。     

遗传算法在宽窄波束切换天线阵设计中的应用

采用对天线单元开关通断的方法,使天线阵形成不同的远场辐射方向图,实现阵列天线方向图宽波束和窄波束的切换。对一个24元线阵天线阵进行了设计。提出了一种改进的遗传算法及其目标函数模型。采用该算法对天线阵各个天线单元的电流幅度进行了优化计算,计算结果显示能够产生满足设计要求的宽波束和窄波束方向图。最后采用HFSS软件进行了仿真,计算结果与仿真结果吻合,证明了所提方法的有效性。     

相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务

相控阵雷天线阵面波束控制系统可以实现天线波束的定向指向和控制,文章分析了相控阵天线波束控制系统的基本原理,并通过演算验证了该波束控制方案的可行性,为今后的相控阵天线波束控制系统设计提供了依据     

基于结构复用的双频圆极化共口径天线设计

提出了一款低剖面宽波束高口径利用率的双频圆极化共口径天线。天线采用结构复用的设计理念,规划拓扑布局,设计不同类型的天线单元。上层采用微带环形贴片使其工作在无人机数据传输频段(1430－1444 MHz),下层采用微带圆形贴片使其工作在无人机遥控频段(2408－2440 MHz)。环形贴片既是低频辐射器,同时也作为高频引向器进行波束调控,实现宽波束特性。仿真和测试结果表明,该天线具有良好的阻抗匹配和圆极化特性,阻抗和轴比带宽均覆盖了无人机通信系统的两个工作频段,同时天线的剖面高度仅为0.07λ0。因此,实现了结构紧凑、性能可控的宽波束双频圆极化共口径天线,在无人机通信系统中具有潜在的应用价值。     

一种考虑反向缝的全球低轨卫星通信系统的波束排布方法

针对全球低轨卫星通信系统的动态性引起的反向缝区域覆盖问题,采用辐射场到地球覆盖区的转换方法,仿真分析了单个卫星服务区为圆形、椭圆和矩形时的全球覆盖情况,并采用椭圆子波束排布对椭圆和矩形的卫星覆盖进行了分析。结果表明,在不增加波束个数的前提下,采用波导缝隙阵的长椭圆子波束,单个卫星矩形覆盖可以有效解决卫星反向缝区域无法完全覆盖的问题。通过对多星影响下的载干比统计方法进行分析,得出这种卫星波束排布方法满足卫星通信的要求,为低轨卫星的天线波束设计提供了理论参考。     

卫星点波束的移动目标指向优化研究

由于星载点波束天线覆盖范围较小,且可转动次数受使用寿命限制,当用于大范围机动用户通信时,需对其指向进行优化设计,在满足通信需求的前提下,尽可能延长天线的使用寿命。综合考虑卫星可视范围、点波束转动限位、点波束调整裕量等实际因素,提出了一种迭代搜索的点波束指向优化设计算法,并进行了仿真分析。仿真表明,这种算法在满足通信要求的同时可有效减少点波束移动次数,并为点波束天线的高效使用提供了途径,具有很强的工程应用价值。     

An adaptive calibration and beamforming technique for a GEO satellite data relay

High throughput data links from low Earth orbit satellites through a geostationary orbit satellite data relay have been proposed to increase the available contact times to ground stations. Accurate antenna beam pointing and tracking of moving targets are key requirements for the relay satellite. In this work, we propose an adaptive calibration and beamforming methodology on the basis of least mean squares, which is suitable for a geostationary orbit data relay. The target system consists of the combination of a high gain reflector fed by a digitally steerable patch antenna array. The proposed method is first presented by numerical cosimulation of the antenna and the calibration algorithm. The results are then validated in an outdoor experimental setup with all digital signal processing implemented in a field‐programmable gate array. We demonstrate the tracking ability and pointing performance of the digitally enhanced reflector antenna with gain fluctuations smaller than 3 dB over a field of view of at least 2,5°. The demonstrated performance shows that the digitally enhanced reflector antenna is a suitable candidate for long‐distance space communications.     

一种低轨卫星通信终端的数字波控方法

针对低轨卫星通信场景下地面终端需自动追星的问题,提出了基于相控阵的波束控制方法.首先利用卫星的位置以及终端的位姿信息计算终端对星的初始指向角,并用该指向角计算相控阵各阵元的移向量完成初始对星,然后利用相控阵在数字域进行圆锥扫描实现对星的精跟踪.仿真结果表明,所提方法能较好完成终端的对星工作.     

Mapping spatial distribution of comm-satellite's beam based on ground omni-antennas

The current satellite communications (SatComs) systems are composed of a large number of satellites, beams and terrestrial devices. Due to their multinode dynamic nature, the usage of frequency resources is variable, complex and difficult to characterize. In particular, with the development of satellite-borne phased array antenna technology, SatCom beams carrying different frequencies are directionally and dynamically distributed in global scale. Mapping and locating the spatial beam distributions of communication satellite (comm-satellite) are the bases of intersystem cofrequency interference mitigation and spatial frequency reuse. In this paper, we design a data selection–multiparameter fitting iteration (DS-MFI) algorithm on the basis of ground-based omnidirectional antennas. The proposed approach can effectively map the spatial distribution of comm-satellite's beam, including satellite transmitter position, equal-gain off-axis angle, and beam pointing in azimuth and elevation. Simulation results verify the effectiveness of the proposed approach for satellites with fixed or steerable beams at different altitudes. Furthermore, the results become increasingly accurate as the dense of ground omni-antenna increases.     

Ku频段宽带相控阵天线技术研究

阵列天线易于实现高增益、波束扫描及波束赋形等功能,成为现代无线通信、导航、雷达等信息系统收发信号的主要手段。为满足高速率、广覆盖、多功能等发展需求,现代无线信息系统要求阵列天线具有宽工作带宽、宽角波束扫描能力及平面化、低剖面等特性。为此,文中以Ku频段、低剖面、宽频带相控阵天线为研究方向,基于微带天线宽带化技术、L型探针耦合馈电技术及加载等效腔体结构,开展微带天线的宽带化和相控阵天线的宽角扫描技术研究。文中提出了一种基于L型探针耦合馈电结构的具有宽带、宽角扫描能力的8×8阵列天线。实测结果表明,在VSWR<3时,在13.0～18.0 GHz阻抗带宽内(相对带宽为32.3%),该阵列天线在E面和H面均可实现±60°的扫描覆盖范围。实测结果和仿真结果具有较好的一致性。     

一种基于介质加载的地球覆盖波束天线设计

地球覆盖波束天线为低轨卫星与地面终端之间的数据传输建立了通道,文中研究了一种新型的介质 加载地球覆盖波束天线。基于介质加载的方法,文中提出了一种圆极化地球覆盖波束天线设计,该天线由馈电网 络、馈源和介质三部分组成,介质包括底部圆柱部分和顶部半球部分,馈源集成于介质内部。设计的地球覆盖波束 天线工作在C 波段,轴向0°~64°范围内增益在0 dBic 以上,40°方向增益为5. 2 dBic。天线尺寸紧凑,辐射波束具有 较好的空间截止特性,可满足立方星应用。     

低轨LTE卫星随机接入前导设计及检测算法研究

针对低轨卫星环境中的较广波束覆盖范围和较大多普勒频移的特点,研究了能够应用于低轨LTE（Long Term Evolution）卫星移动通信中的随机接入前导及其检测算法。首先,提出多根长序列（MRLS）,该序列通过级联多个根序列号不同的短ZC（Zadoff-Chu）根序列构建,可以支持一步定时提前估计;其次,提出一种基于MRLS的随机接入前导检测算法,该算法通过相邻短ZC根序列的共轭相乘产生多个检测序列,再与多个待检序列进行联合差分相关检测,克服了整数倍和小数倍子载波间隔的多普勒频移的影响。仿真结果表明,利用MRLS序列,所提算法对载波频率偏移具有很好的鲁棒性,适用于基于LTE的低轨卫星移动通信系统。     

基于微波光子收发共用真时延网络的相控阵波束合成

针对相控阵雷达宽带宽角波束扫描普遍存在的孔径渡越和波束倾斜的问题,提出了一种基于微波光子技术的相控阵波束形成网络系统,该系统采用收发共用的延时方式,在保证收发波束指向高度一致的同时也减少了系统的设备量。建立了16通道的收发共用的波束扫描系统进行实验验证,实现了X频段范围内的±30°的收发波束扫描,不存在波束倾斜现象,接收和发射波束指向高度一致,结合雷达系统分时收发工作的特点,可有效提升相控阵雷达系统的扫描探测能力。