多波束天線綜述多波束天線(MBA———MultipleBeamAntenna)由于其能夠高增益地覆蓋較大的地面區(qū)域而且又能根據(jù)需要調(diào)整波束形狀而得到深入研究和廣泛于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。多波束天線是能夠同時產(chǎn)生多個子波束(點(diǎn)波束),從而覆蓋地面上所關(guān)心的區(qū)域的天線系統(tǒng),根據(jù)不同的通信需要,子波束和總波束的關(guān)系大致可分為幾種情況:固定區(qū)域點(diǎn)波束覆蓋,非固定區(qū)域點(diǎn)波束覆蓋和賦形束覆蓋。多波束天線與傳統(tǒng)天線不同，它只在指定的區(qū)域有較高的增益值，而在其他地方增益很低，所以能減少覆蓋區(qū)域外地面站對多波束系統(tǒng)造成的干擾，提高系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量，提供有效全輻射功率和接收系統(tǒng)品質(zhì)因素G/T值，并使衛(wèi)星地面站終端設(shè)備得到簡化和降低成本。另一方面，由于地球的曲率，衛(wèi)星覆蓋下的區(qū)域到達(dá)衛(wèi)星的路徑并不相等，星下點(diǎn)路徑最短，遠(yuǎn)離星下點(diǎn)的區(qū)域路徑較遠(yuǎn)，這就引起了遠(yuǎn)近效應(yīng)的問題對于通信衛(wèi)星系統(tǒng)而言，等通量覆蓋是保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一而這恰恰是多波束天線的優(yōu)勢因?yàn)槎嗖ㄊ炀€是通過幾個高增益的窄波束合成一個等效的高增益寬波束，所以可以通過調(diào)整每個波束的增益大小，實(shí)現(xiàn)對地面的等通量覆蓋。固定區(qū)域點(diǎn)波束覆蓋：固定區(qū)域點(diǎn)波束覆蓋是指所有的點(diǎn)波束彼此獨(dú)立地照射地面上不同的固定區(qū)域,總的波束則覆蓋有關(guān)國家和地區(qū),這種點(diǎn)波束方式往往用于同步衛(wèi)星通信系統(tǒng),近年來也應(yīng)用于同步衛(wèi)星通信系統(tǒng),稱為所謂“凝視天線”。這種系統(tǒng),當(dāng)衛(wèi)星移動時,天線始終照射著某一固定區(qū)域并保持波束覆蓋圖不變,直到該區(qū)域邊緣的仰角小于最小仰角。(2)賦形束覆蓋賦形束覆蓋是指點(diǎn)波束在地面上相互迭加,得到的輻射方向圖形成所需要的圖形─賦形束,這種方式也往往用于同步衛(wèi)星通信系統(tǒng).賦形束的概念在二十多年前就提出來了,其天線由反射面和單個饋元或由少量的饋元組成的饋元陣組成(后者可以看成多波束天線).任何形狀的方向圖都可以通過設(shè)計(jì)反射面的形狀,在光學(xué)口面產(chǎn)生所需的振幅和相位分布來實(shí)現(xiàn),而反射面的形狀的設(shè)計(jì),可用幾何光學(xué)或物理光學(xué)方法.這樣得到的天線稱為賦形天線.圖2給出了采用口面綜合設(shè)計(jì)的賦形反射面天線所得到的覆蓋美國大陸的方向圖[6].（美國）2.1單口面設(shè)計(jì)和多口面設(shè)計(jì)MBA的多個波束可以通過一個口面產(chǎn)生,也可以通過多個口面產(chǎn)生,分別稱為單口面設(shè)計(jì)和多口面設(shè)計(jì)..研究表明,與單口面MBA相比,多口面MBA確實(shí)具有增益高,旁瓣電平低及抗干擾性能好的優(yōu)點(diǎn)。圖5給出了單口面,三口面和四口面設(shè)計(jì)產(chǎn)生19個點(diǎn)波束的示意圖.從圖中可以看出,對單口面設(shè)計(jì),所有的波束均是由同一個口面產(chǎn)生的,而對多口面設(shè)計(jì),相鄰的波束是通過不同的口面產(chǎn)生的.也就是說,同一口面產(chǎn)生的波束在地面是被其它口面產(chǎn)生的波束分隔開的.這樣一來,對多口面設(shè)計(jì),同一口面產(chǎn)生的波束的最小間隔(對應(yīng)于兩波束中心的距離或半功率寬度)就分別增加到單一口面時的3倍(對三口面)或2倍(對四口面),如圖所示.較大的束間隔使得我們可以擴(kuò)大喇叭口徑來減小泄漏,從而提高增益和改善旁瓣水平.加拿大的一個軍事衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用了多口面MBA,用四個介電透鏡實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋。研究表明,盡管多口面MBA具有增益高,旁瓣電平低及抗干擾性能好的優(yōu)點(diǎn),但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,質(zhì)量重,加工制造和衛(wèi)星發(fā)射方面的費(fèi)用較高,還可能產(chǎn)生由于不同口面的瞄準(zhǔn)誤差不同所引起的覆蓋失真.因此,在選擇使用這兩種設(shè)計(jì)時,必需綜合考慮各方面的因素。多口MBA的另一重要功能是提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻率利用率.例如,在圖5(b)和(c)中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分別代表使用不同頻率的小區(qū),頻率復(fù)用率分別為3、和4。2.2多喇叭陣列的基本成束法和增強(qiáng)型成束法正如上節(jié)所述,單口面多喇叭MBA的增益比多口面多喇叭MBA的增益低,但具有結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,造價低的優(yōu)點(diǎn),因此仍然受到重視.本節(jié)主要分析比較單口面多喇叭MBA的兩種成束方法.采用單口面多喇叭系統(tǒng)產(chǎn)生多波束有兩種方法:一種是比較簡單的基本成束法,另一種是較為復(fù)雜的增強(qiáng)型成束法.圖6給出了兩種方法的示意圖。圖6(a)所示的為基本成束法,其特點(diǎn)是每一波束來源于一個喇叭.這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,缺點(diǎn)是增益不高,通常要比單個喇叭時的優(yōu)化峰值增益低2~3dB,這是因?yàn)橐岣咴鲆?就需要較大的喇叭口徑,然而大的口徑又使旁瓣水平和相鄰束覆蓋性能變壞.文獻(xiàn)[14]研究了喇叭口徑對天線特性的影響,指出要滿足3dB的相鄰束覆蓋的要求將導(dǎo)致-19dB的高旁瓣水平;而要實(shí)現(xiàn)-30dB的低旁瓣水平設(shè)計(jì)又會產(chǎn)生-23dB的相鄰束覆蓋.因此,基本成束法不能同時滿足低旁瓣水平和好的相鄰束覆蓋的要求。增強(qiáng)型成束方法如圖6(b)所示.每一波束是由一組喇叭產(chǎn)生,即每一波束是由一組喇叭中的每個喇叭產(chǎn)生的分波束。迭加而成的復(fù)合束.例如波束2是由喇叭1,2,3,7,8,9,19所產(chǎn)生的分波束的迭加.這里,由六個喇叭(7,8,9,19,3,1)成圓環(huán)狀繞一個喇叭(2)組成的七元陣?yán)热菏荕BA常用的一種饋源陣.這種七元陣的優(yōu)點(diǎn)在于它比基本成束法具有更多的自由度來調(diào)節(jié)優(yōu)化MBA的各種性能.例如,它可以通過調(diào)節(jié)七元陣中處于圓周上的某些喇叭的振幅和相位在圍繞中心束的360度方向上控制旁瓣水平,它可以通過改變各喇叭的激勵來實(shí)現(xiàn)所需要的方向圖以消除干擾和阻塞。2.3反射式和透射式MBA采用反射式設(shè)計(jì)還是透射式設(shè)計(jì)要按要求和所能實(shí)現(xiàn)的條件而定,目前兩種設(shè)計(jì)都被應(yīng)用.一般地說,多口面MBA較多地采用透鏡式設(shè)計(jì);單口面MBA既可采用反射式設(shè)計(jì)也可采用透射式設(shè)計(jì).但是,文獻(xiàn)[14]認(rèn)為,對單口面MBA,透射式系統(tǒng)的重量至少是反射式系統(tǒng)的兩倍,因而更多地采用反射鏡式設(shè)計(jì).反射式設(shè)計(jì)又多采用偏置結(jié)構(gòu).采用偏置結(jié)構(gòu),不僅避免了反射面對饋源的反作用,也避免了饋源對反射面的遮擋,有利于提高天線增益和降低旁瓣水平.但是由于采用了偏置,反射面必不對稱,交叉極化電平會有所提高.反射面有拋物線型,雙曲線型,賦型等.采用偏置雙曲面鏡作MBA,其缺點(diǎn)是口徑較大,交叉極化電平較高,還有由于偏焦所引起的掃描束方向圖畸變[18].目前應(yīng)用較多的是輻射元置于焦面上的偏置拋物面反射鏡和賦型反射鏡。2.4MBA設(shè)計(jì)2.4.1一般原則：在這種天線的設(shè)計(jì)中，首先要確定天線的幾何參數(shù)，包括反射面的口徑D、饋源高度h、焦距F、饋源尺寸、饋源陣尺寸等。這些可以根據(jù)所要求的增益、副瓣電平、正交極化電平及交疊電平來決定，然后再確定饋源的激勵系數(shù)。多波束天線技術(shù)中,反射面天線的口徑D、焦距F、喇叭尺寸以及饋源陣的排列、工作頻率的選擇等等,這些因素相互制約。波束設(shè)計(jì)就是用一組合適的波束來覆蓋服務(wù)區(qū)。優(yōu)化過程是在綜合各種因素、兼顧不同需求的條件下,反復(fù)比較、篩選中完成的。在天線設(shè)計(jì)及波束優(yōu)化中需要考慮和滿足下列要求:·子波束指向星視地圖上的指定位置?！槭瓜到y(tǒng)能正常運(yùn)行,服務(wù)區(qū)內(nèi)波束增益的起伏應(yīng)控制在2dB左右?！ぷ硬ㄊ唤与娖降倪x擇應(yīng)兼顧上、下行工作頻率及中心波束與邊緣波束。·高增益、低旁瓣和高波束效率的要求。2.4.2反射面型式和口徑D的選取一般情況下,在用反射面天線實(shí)現(xiàn)多波束時,為了避免由于饋源陣尺寸龐大而造成的遮擋影響,天線采用偏置拋物面形式,饋源陣處于焦平面上。在這種天線的設(shè)計(jì)中，首先要確定天線的幾何參數(shù)，包括反射面的口徑D、饋源高度h、焦距F、饋源尺寸、饋源陣尺寸等。這些可以根據(jù)所要求的增益、副瓣電平、正交極化電平及交疊電平來決定，然后再確定饋源的激勵系數(shù)。MBA的設(shè)計(jì)和性能分析是復(fù)雜而繁瑣的,需要反復(fù)迭代.但是若能給出一些簡單的計(jì)算公式進(jìn)行初步的估算是有益的.這里給出一個單口面MBA的例子:首先,根據(jù)衛(wèi)星高度和最低仰角要求可大致確定覆蓋面積A(°).而單反射面多喇叭MBA的喇叭總數(shù)N(也即點(diǎn)波束數(shù))則決定于所覆蓋的面積A(°)及口面直徑與波長比(D/λ),這里給出了一個計(jì)算公式：對單拋物面反射式MBA,口面直徑與波長比(D/λ)又依賴于半功率寬度Θo(°)和峰值旁瓣水平SL(-dB)。這里給出了一個計(jì)算公式:其中,D為天線口徑;SL為副瓣電平(-dB);θ3dB表示3dB波束寬度(°)。通過這兩個關(guān)系式,可以確定任意兩個量,例如給定A(°)、SL(-dB)和Θo(°),可確定N和D。焦距F通常選擇為口徑D的0·8~1·7倍，較大的F/D值使MBA有較好的掃描性能和交叉極化水平.這樣就得到了MBA的基本參量。3直接輻射相控陣MBA直接輻射相控陣天線應(yīng)用于MBA原來一直受到束形成網(wǎng)絡(luò)(BFN)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,損耗大,重量重和造價高等條件的限制.隨著MMIC（單片微波集成電路）技術(shù)的進(jìn)展,固態(tài)功率放大器,低噪聲功率放大器等有源器件都可以作到輻射元的水平上,這就為有源相控陣用于MBA創(chuàng)造了條件。有兩種基本形式的相控陣MBA。一種是單片法(monolithicapproach),它是把整個陣或子陣都集成在單塊芯片上。另一種是混合單片法(hybridmonolithicapproach)，它把制作在不同芯片上的天線陣或子陣組合在一起.混合單片法更有能效地使用天線輻射口面，因而得到更廣泛的運(yùn)用。混合單片法又可分為磚式結(jié)構(gòu)和瓦式結(jié)構(gòu),如圖7所示[22]。在圖7(a)中,MMIC模塊是垂直于天線輻射口面的,它應(yīng)用天線陣的深度來安排MMIC電路.在圖7(b)中,一些MMIC模塊及其RF.混合和信號分配網(wǎng)絡(luò)集成成一行(或一列或一個子陣),但是這些器件仍然是垂直于天線輻射口面的，因而仍然是磚式結(jié)構(gòu)。在圖7(c)中,有源器件和分配網(wǎng)絡(luò)集成在天線輻射口面背后并與之平行的薄層中.這種結(jié)構(gòu)由于應(yīng)用了高密度集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了體積,重量和成本的降低.圖8是一個典型的瓦式結(jié)構(gòu)的剖面圖,它采用微帶-縫偶合的腔基圓貼片作輻射元。用這樣的16個輻射元組成的相控子陣,工作在29·6GHz,大小為3·2×3·2×0·75cm3,增益5dB,EIRP可實(shí)現(xiàn)75W.把N個這樣的子陣聯(lián)結(jié)到一個具有RF/DC/LOGIC的母板上,EIRP可按N2倍數(shù)增加。相控陣MBA的輻射元一般是印制在襯底上的貼片,縫隙或帶縫隙的貼片.輻射元可排列成三角點(diǎn)陣或矩形點(diǎn)陣；相位子陣也可按三角方式或矩形方式或其他形式排列。輻射元間距和子陣元間距決定于工作波長。把兩種不同間距的輻射元迭加制作在同一個輻射口面上，可實(shí)現(xiàn)收發(fā)頻率不同時的收發(fā)共用天線。圖9給出了一個雙頻微帶天線的示意圖，其中，接收(L波段)元間距為1·25λ，發(fā)射(S波段)元間距為1·1λ。4多波束天線的設(shè)計(jì)4.1一般原則：多波束天線技術(shù)中,反射面天線的口徑D、焦距F、喇叭尺寸以及饋源陣的排列、工作頻率的選擇等等,這些因素相互制約。波束設(shè)計(jì)就是用一組合適的波束來覆蓋服務(wù)區(qū)。優(yōu)化過程是在綜合各種因素、兼顧不同需求的條件下,反復(fù)比較、篩選中完成的。在天線設(shè)計(jì)及波束優(yōu)化中需要考慮和滿足下列要求:·子波束指向星視地圖上的指定位置?！槭瓜到y(tǒng)能正