干扰抑制技术
<p cid="n0" mdtype="paragraph">由于轨道和频率资源有限,不同卫星可能使用相同的工作频率和极化方式,应降低卫星和终端副瓣收发能量,抑制同频同极化干扰。例如,Ku频段同步轨道卫星最小间隔为2°为避免终端发射波束的副瓣干扰相邻卫星,国际电讯联盟(intermationatelecommunication union,ITU)规定终端天线在偏离波束指向角超过 2°时的 EIRP 谱密度最大值同时,为降低终端接收相邻卫星的干扰能量,ITU也规定在不同通信仰角情况下的卫星PFD最大值。相比于关口站,终端口径较小,副瓣增益更高,容易受到临星干扰。增强终端的副瓣抑制能力,降低干扰信号的收发能量,是提高频谱效率的关键技术之一。</p><p cid="n8" mdtype="paragraph">较为常见的副瓣抑制方法是进行幅度加权。例如,文献设计了由 16 个单元组成的 Ku 频段圆极化缝隙天线阵列,不同辐射单元及其馈电点分布在半径不同的同心圆上且呈直线排列,通过改变二者之间的角位移形成不同单元波程差。该阵列激励由多端口耦合网络提供,通过 Blass 矩阵设计每个端口的耦合系数,形成幅度服从Taylor分布的激励。</p>
<p cid="n6" mdtype="paragraph">此外,如图6(a)所示,当工作在相同频段的高低轨卫星与终端近似共线时,为避免干扰,终端与高低轨卫星通信仰角的差值应大于保护角度。在小于保护角度的区域AC内,若卫星波束宽度较宽可考虑动态频谱划分方法,使高低轨卫星工作在不同子频带。如图6(b)所示,若卫星波束宽度较窄可考虑高低轨卫星在全频段内服务不同子区域AB和BC,实现频谱共享。文献考虑高低轨终端共址工作情形,随着低轨卫星通信仰角逐渐增加通信距离减小,低轨终端接收信噪比增加,高轨终端信噪比降低。文献提出一种低轨卫星星载相控阵姿态优化方法,在通信仰角增加过程中,适当使相控阵天线副瓣指向终端,降低发射能量,使高低轨终端均能正常工作。</p>
<p cid="n6" mdtype="paragraph"> </p>
<p cid="n10" mdtype="paragraph">图6 终端共线干扰</p>
<p cid="n12" mdtype="paragraph">由于地面终端倾向于选择仰角较高的低轨卫星通信,低纬度地区终端对高低轨卫星之间的通信仰角差值较小,更容易受高低轨卫星共线干扰影响。应统筹考虑相控阵天线能量、极化、覆盖区域以及终端地理位置、通信仰角等多方面因素,进行高低轨频谱兼容干扰抑制设计。</p>
高精度波束指向技术影响相控阵天线波束指向精度的因素之一是幅相校准。常见的校准方法是依次开启每个天线单元获得初始幅相信息,并选择某个单元作为参照,通过补偿与参照单元的幅相误差使所有单元的幅相基准保持一致。从理论上分析,由于所有单元的初始幅相是分时获取的,无法将阵列实际工作时单元之间耦合造成的幅相误差考虑在内,校准时天线工作状态与实际工作状态可能存在差异。为同时获得所有单元的初始幅相,可采用码分多址的方法:不同天线单元的发射信号与正交Walsh 码相乘,多个匹配滤波器进行接收信号与本地 Walsh 码的相关运算,从而获得不同天线单元的幅相信息。但是,在该方法中,正交 Walsh 码的数量和序列长度均随天线单元数量而线性增加,在大规模相控阵天线应用较为受限。文献提出基于非正交多地接人的传输方法,采用不同延时的m序列来代替多个正交的 Walsh 码,极大地降低了发射端正交序列和接收端匹配滤波器的数量,但是多个m序列的正交性是实现难点。除幅相校准之外,移相器也是影响指向精度的因素。模拟移相器位数一般在6~8位,移相精度受温度影响,且不同移相状态的衰减存在差异。针对该问题,文献提出通过变频本振在中频实现移相的方法,本振源由高精度的直接数字频率合成(direct digital synthesis,DDS)实现,通过改变不同本振源的相位形成波束指向,等效移相位数可达14位。由于 DDS 需进行数模转换,多个 DDS 在单片集成较为困难,也带来多通道同步问题,无法适用于大规模阵列，且本振频率锁定需要一定时延。因此,文献提出一种基于相位调制的方法控制锁相环参考时钟的相位。由于相位受基带数字信号控制,移相精度与数字信号生成中的乘法累加等运算能力相关,等效移相位数可达20位以上。宽带扫描引起的波束斜视也会增加指向误差该误差随扫描角度和相对带宽增加。采用延时器能避免波束斜视,在波束指向误差允许范围内,文献考虑在射频部分采用延时器结合移相器的方法,讨论波束不发生指向跃变条件下对延时器位数的要求。考虑到射频部分直接采用延时器存在体积大、功耗高的缺点,文献提出在基带数字信号处理中采用多阶滤波器延时与复数权重相乘移相结合的方法,形成与射频延时器等效的高精度波束指向。此外,文献将波束斜视建模为宽带信号传输时带内频谱分量增益的不一致性,通过副瓣加权与信道均衡相结合的方式进行补偿,有效降低宽口径阵列传输高阶调制信号时的误码率。 多波束技术多波束技术的优势体现在多个方面:对于卫星,可通过点波束的频率复用和极化复用,结合跳波束技术,提高吞吐量和波束覆盖灵活性。对于终端,可通过接收分集降低信道衰落对信噪比造成的恶化。同时,在终端无法获取自身位置和姿态的条件下,也可通过同时比较多波束接收信号的能量确定卫星位置,提高复杂电磁环境下卫星跟踪能力。为达到多波束指向捷变,可在模拟城中通过多通道幅相配置或在数字域中通过多波束数字成形实现,但波束数量分别受幅相芯片集成度和模数转换采样率影响。虽然光学相控阵在宽带和多波束特性方面具有较大优势,但仍存在体积较大、对温度变化敏感等问题。对于星载多波束相控阵需特别考虑功放交调分量波束以及同频同极化波束对地面终端接收的干扰,可采用Shimbo模型进行交调分量的方向图仿真和功放线性化设计,避免功放输出过度回退降低效率,同时优化跳波束频率复用场景中的终端信干噪比。 低成本技术降低相控阵天线成本的主要思路是通过降低天线扫描维度或扫描角度要求,减小有源通道数量。例如,当终端跟踪高轨卫星时,可通过调整终端的姿态使其仅在单一平面进行扫描,在另一垂直平面利用延迟线进一步降低不同纬度时的指向误差。同时,考虑到星载相控阵波束扫描范围随轨道高度的增加而降低,可适当增加单元间距来降低通道数量。稀疏布阵是减小有源通道数量的直接方法,但需要在保证主瓣增益的同时降低副瓣电平,避免栅瓣出现。文献设计了 Ku 频段 48 阵元花瓣形稀疏阵列,采用单比特移相双通道馈电实现低成本双线极化接收,并通过幅度加权解决因移相器位数减少造成的副瓣抬升问题。文献设计了Ka频段8波束稀疏阵列,通过扩大阵元间距,增加多波束幅相芯片布局空间,并进一步采用遗传算法优化阵列增益及副瓣电平,通过多个子阵的不规则分布降低栅瓣形成概率。对于星载相控阵而言,稀疏布阵更具有低成本、低功耗方面优势,但在优化过程中面临全局最优解与运算复杂度之间平衡的问题。常见优化方法有确定性稀疏、随机性稀疏和混合稀疏,可考虑先采用复杂度低的确定性稀疏方法进行快速优化,再采用混合稀疏方法进行局部寻优。文献提出一种高轨卫星环形阵列的混合稀疏方法,通过改变不同环内单元的激励相位,可同时形成两种不同宽度波束,提高不同区域差异化覆盖能力。此外,低成本设计也应用在星载相控阵供电散热及安装空间受限的工作环境中。文献固定不同辐射单元间的输出功率差,仅通过控制相位形成波束对不同地面覆盖区域的功率差异化特性，避免频繁改变功放输出功率降低转换效率。文献进行Ka频段反射面阵列和X频段相控阵天线的共口径设计,实现大相对带宽及宽角扫描的星地和星间同时高速数传。 球面扫描技术由于等效投影孔径与扫描角度呈余弦关系,相控阵天线增益随波束扫描角度的增加而降低,通常情况下波束扫描角度限制在 60°~ 70°。为解决大角度扫描情况下的增益跌落问题,研究者们关注于球面扫描相控阵天线,在波束扫描过程中,动态开启波束指向附近占整阵面数量25%的天线单元,保持波束指向始终为垂直于阵面的法向,EIRP值在波束扫描过程中的波动可小于1dB。文献采用单个有源幅相通道分时切换驱动多个天线单元的设计思路,通过天线单元的合理布局,使波束扫描过程中有源通道始终对应单个天线单元,从而降低有源通道数量。文献进一步讨论文献所设计相控阵的可能故障,包括有源幅相通道切换错误、幅相数据配置错误、供电失效,多输出端口隔离度降低等,并分析不同故障对ERP值恶化的影响程度。 未来研究展望星地融合网络正朝着分布式星群组网、通信感知一体化、网络功能可定义等多方面发展,相控阵天线也需突破关键应用技术来满足需求。分布式星群组网为实现手机直连卫星,应提高星载天线口径但会增加卫星制造和发射成本。在分布式微小卫星形成星群的天基区域组网方法中,大量小卫星协同形成定向波束为终端服务。由于卫星之间距离较大,将会形成栅瓣。文献基于稀疏布阵的思想提出了增强对数螺旋阵列的布阵方法,在满足阵列增益和波束宽度的同时避免栅瓣形成。实现分布式星群组网也面临诸多难题。分布式小卫星应满足严格的时频同步要求,形成星群与终端间闭环或开环的反馈链路。在闭环反馈中,每颗小卫星需通过终端反馈,依次获取星地传输链路的全相位信息,更新星载天线传输相移,但星地无线传输较大延时可能导致反馈信息迟滞。在开环反馈中,由于缺少同步测量信息,可能造成星群节点在距离、姿态等多方面的误差,需额外考虑星间激光或微波链路保持相对位置。高频段演进随着 Ku/Ka 等常见卫星通信频段趋于饱和,以Starlink 为代表的低轨星座已开始实现 O/V 频段的相控阵应用。高频段演进对多通道多波束相控阵的高密度集成和散热提出较高要求。文献]研究了 O/V频段8波東瓦式相控阵实现方法,通过稀疏布阵提高阵元间距,增加芯片布局空间,避免栅瓣出现的同时降低有源通道散热需求。高频传输在提高功放效率、极窄波束的对准与跟踪与地面通信网络间的干扰协调等多方面还有待深入研究。通信感知融合随着感知与卫星通信网络的深度融合,研究者们也开始讨论相控阵终端在其中的赋能作用。例如,文献分析了终端通信仰角、接收信噪比等因素对频谱感知成功率的影响。当频谱感知成功时,空闲频谱可在多个终端间实现共享,提高频率利用效率。此外,许多研究也在关注低轨卫星用户链路下行信号作为辐射源,应用于无源雷达探测场景中的可能性。经过理论计算,虽然 Starlink 等低轨星座卫星载荷辐射能量低,但由于对地传输距离短、带宽高,目标反射回波的信噪比、探测距离等性能均优于中高轨卫星。由于地面终端同时接收卫星的业务信号及目标的反射回波信号,需要考虑与多通道相适应的天线设计,也需在探测距离和视场范围之间作出性能平衡。 高低轨卫星与地面蜂窝网络的深度融合,形成全天候、全区域的泛在宽带无线接入能力,是未来移动通信网络发展的必然趋势。相控阵天线以其在波束指向捷变、体积小重量轻等多方面优势,在卫星和地面终端中均得到广泛应用,但也面临成本功耗较高、宽带传输和宽角扫描性能恶化等多方面挑战。本文从功能架构、关键技术等角度总结了相控阵天线在星地融合网络中应用的研究进展,并展望了在分布式星群组网、高频段传输和通信感知融合等方面的未来发展趋势。 <p>很希望能多多提供这方面的资料，详细的资料，谢谢</p>
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