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摘要：隨著各國互聯(lián)網(wǎng)星座最近幾年的不斷建設(shè)，互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量日漸龐大，對于無線電監(jiān)測工作來說，利用傳統(tǒng)的拋物面天線的監(jiān)測手段開展監(jiān)測難以滿足對衛(wèi)星監(jiān)測的新需求，數(shù)字相控陣天線技術(shù)日趨成熟，給衛(wèi)星無線電監(jiān)測帶來全新的方式。文章通過對DBF技術(shù)的研究，探討此技術(shù)在衛(wèi)星監(jiān)測中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字波束成形（DBF），互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星，無線電監(jiān)測

0  引言

近年來，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展勢頭迅猛，已逐步實現(xiàn)成熟的商業(yè)運營。然而，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)運用在帶來全球信息互聯(lián)互通的同時，也隱藏著較大的國家無線電安全隱患，從無線電監(jiān)測角度考慮，掌握互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座在我國境內(nèi)的無線電覆蓋情況已經(jīng)迫在眉睫。

隨著相控陣天線技術(shù)的逐漸成熟及生產(chǎn)成本的大幅下降，美國的SpaceX公司已經(jīng)在其衛(wèi)星星座starlink衛(wèi)星天線及地面終端中大量使用了相控陣天線。因此，相控陣天線的應(yīng)用對于衛(wèi)星通信和衛(wèi)星無線電監(jiān)測將是未來的主要趨勢。

1  相控陣天線簡介

相控陣天線可以采用多種形式，最常見的有四種：一是有源電子掃描陣列（AESA），是目前商用的主要類型；二是無源相控陣（PESA），這種相控陣天線有著一定的成本優(yōu)勢；三是混合束形成相控，目前國內(nèi)部分廠家開始向這方面嘗試；四是數(shù)字波束形成（DBF）陣。

過去幾年中設(shè)計的大多數(shù)相控陣天線都使用模擬波束成形，這種類型相控陣天線每一個波束都需要一組A/D轉(zhuǎn)換器和波束形成器。但是，隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字波形成形技術(shù)被越來越多地關(guān)注，在DBF相控陣天線中，每一個天線陣元都配備一組A/D轉(zhuǎn)換器，其來波相位調(diào)制可集成在A/D轉(zhuǎn)換器中以數(shù)字的方式進行，因為這種結(jié)構(gòu)上的特點，DBF相控陣天線可以實現(xiàn)非常多的波束，這種多波束的特性對于規(guī)模巨大的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星有較好的監(jiān)測切合性。

在選擇相控陣天線時，可以從應(yīng)用場景來分析，根據(jù)需求來確定天線所需要的波束數(shù)量，能夠承擔的天線功耗及天線成本。數(shù)字波束成形方法通常每個天線單元都需要有一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，這會使得DBF天線具有較高的功耗，但這種特性使得DBF天線在構(gòu)建多波束方面提供了很大的靈活性。所選用數(shù)模轉(zhuǎn)換器需要有不錯性能，這給DBF相控陣天線帶來了高成本的劣勢^[1]。

對于模擬波束相控陣天線，由于無法對每個陣元進行數(shù)字化處理，所以模擬相控陣天線每增加一個波束就需要增加一個波束成形通道。因為這種結(jié)構(gòu)上的特點，模擬相控陣天線每增加一個波束，天線的體積幾乎就會增大一倍；當然天線的功耗也隨著快速增加。由于電路設(shè)計的復(fù)雜性，目前模擬波束相控陣天線很難做到4波束以上。

現(xiàn)在國內(nèi)市場上出現(xiàn)了一些模擬和數(shù)字結(jié)合的相控陣天線，利用模擬和數(shù)字方式的結(jié)合，可以減少數(shù)字相控陣天線的成本，同時使得多波束天線的體積不會增加得那么快，目前這是相關(guān)產(chǎn)品的一個主要方向。

2  DBF技術(shù)

對于數(shù)字波束形成（DBF）相控陣天線，在其陣列中每個元件都采用數(shù)字接收器或者激勵器，每個陣元采用的接收器或者激勵器將天線中每個陣元上接收到的模擬信號進行數(shù)字化處理^[2]。將每個陣元收到的信號數(shù)字化處理之后，就可以在后端使用FPGA以數(shù)字的方式形成天線波束。通過這種方法，DBF技術(shù)可以使相控陣天線同時形成多個天線波束。

從相關(guān)資料中，我們可知DBF相控陣天線的原理如下：假設(shè)接收天線是一個有著N個陣元的均勻面陣列天線，通過數(shù)字多波束加成器，對N各陣元進行加權(quán)，根據(jù)使用者要求，對相同的數(shù)據(jù)改變不同的權(quán)重因子，以形成不同指向的波束，然后將波束內(nèi)接收到的信號送后續(xù)處理單元。通過這種方式一個N陣元的DBF天線，理論上可以同時形成N-1個獨立的波束^[3]。

3  DBF相控陣天線優(yōu)勢

DBF相控陣天線對于無線電監(jiān)測應(yīng)用有許多的好處，首先，相對傳統(tǒng)拋物面天線相控陣天線普遍擁有快速波速成形、可靠性高及空間占用較小的優(yōu)勢。其次，DBF技術(shù)能夠較為方便地合成許多不同指向的波束，相對于模擬相控陣天線，數(shù)字波束成形技術(shù)還有如下優(yōu)勢。

（1）DBF技術(shù)是在A/D轉(zhuǎn)換之后的數(shù)字信息上對天線的幅度相位進行加權(quán)調(diào)整，而模擬波束成形是在模擬域上利用移相器和衰減器等器件進行，當模擬相控陣天線的波束數(shù)量增加時，硬件設(shè)備量將成倍增加，給安裝調(diào)試等帶來很大問題，這使得DBF相控陣天線在構(gòu)型上實現(xiàn)多波束比模擬相控陣天線具有很大優(yōu)勢。

（2）DBF相控陣天線通過FPGA控制能夠快速地實現(xiàn)對不同形狀、方向和數(shù)量的波束成形，只需程序控制即可改變天線的波束，能夠相對容易地實現(xiàn)信號接收/發(fā)射的自適應(yīng)性，同時能夠較好地抑制天線副波瓣接收到的信號^[4]。相對于傳統(tǒng)的拋物面天線或者模擬相控陣天線，這些天線在波束網(wǎng)絡(luò)設(shè)計確定后，天線的波束圖就被固定了，后期使用時不能進行更改。

（3）DBF技術(shù)因為首先進行A/D轉(zhuǎn)換，再對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息進行處理，利用數(shù)字信號處理技術(shù)，在信號處理之前能夠保存較多的信息到處理端。而模擬波束成形，在波束形成之時就將大量信號信息丟棄，損失了大量的信號信息。

4  DBF相控陣天線監(jiān)測應(yīng)用

數(shù)字波束形成技術(shù)因為有足夠多的波束，所以足夠滿足各大互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座部署完成之后的日常監(jiān)測需求，可以對覆蓋區(qū)域內(nèi)的多個下行波束進行全信號實時跟蹤。

同時在后端接收機允許的情況下，可以使用盲搜方式對監(jiān)測覆蓋區(qū)域進行深度監(jiān)測，在使用盲搜方式進行信號監(jiān)測時，DBF技術(shù)所能提供的強大的信號處理能力，使得監(jiān)測范圍內(nèi)的信號搜索時間相對于目前常用的模擬相控陣天線會有很大變化。

下面對DBF相控陣天線盲搜能力進行探討。利用DBF相控陣天線，水平放置，對法線60°范圍信號進行掃搜，監(jiān)測范圍為俯仰30°以上范圍，對低軌衛(wèi)星550  km測算，監(jiān)測半徑約為950 km，將DBF相控陣天線監(jiān)測范圍按監(jiān)測需要劃分為均勻的“小區(qū)”，天線的若干個波束以固定速度輪詢各個“小區(qū)”，對各小區(qū)設(shè)定一定權(quán)重的電平觸發(fā)門限，當相控陣天線波束輪詢到某一小區(qū)電頻值超過該“小區(qū)”電平觸發(fā)門限時，記錄該“小區(qū)”方位俯仰信息，由其他天線系統(tǒng)進行跟星和監(jiān)測測量。盲搜監(jiān)測方式對天線后端的信號處理設(shè)備要求很高，需要在后端處理設(shè)備上有較大的投入。

5  結(jié)束語

由于目前國內(nèi)民用市場還沒有相關(guān)產(chǎn)品，國外對此類產(chǎn)品出口有一定的出口限制?；谏鲜鰯?shù)字波束形成技術(shù)的優(yōu)勢，后期在國內(nèi)技術(shù)逐步成熟的條件下，同時在成本下降到可接受的范圍時，采用DBF相控陣天線是應(yīng)對NGSO星座監(jiān)測的較為不錯的天線選擇。

參考文獻：

[1]徐其貴，周繼飛.數(shù)字波束形成技術(shù)在現(xiàn)代雷達中的應(yīng)用研究[J].無線互聯(lián)科技，2020，17（10）：3-4+9.

[2]王宇，譚硯磊，鄒雄飛，胡哲昊.基于DBF的DOA估計在車載MIMO雷達中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代計算機，2021，27（33）：27-32.

[3]廖鵬.數(shù)字波束成形的硬件設(shè)計與測試[D].成都：電子科技大學(xué)，2020.

[4]姜海濤，白杰.數(shù)字波束成形在車載毫米波雷達中的應(yīng)用[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，36（01）：111-113+130.

作者簡介：周凌霄，男，漢族，工程師，碩士，現(xiàn)就職于國家無線電監(jiān)測中心云南監(jiān)測站。

作者： 國家無線電監(jiān)測中心云南監(jiān)測站  周凌霄  來源： 《數(shù)字通信世界》2022年第4期