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《南京理工大学》 2009年
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星载数字多波束相控阵天线若干关键技术研究

赵红梅  
【摘要】: 多波束天线技术是提高卫星通信容量和覆盖性能的一项关键技术。随着数字信号处理器件和微波单片集成电路(MMIC)技术的发展,数字多波束相控阵天线技术应用于LEO卫星移动通信系统已成为可能。星载天线多波束赋形技术、射频通道间的幅相误差分析和校正以及DBF系统的非线性失真特性分析与测试等是数字多波束相控阵天线系统设计和实现的关键技术,这些关键技术的解决对星载数字多波束相控阵天线系统的研制起着重要的作用。本文针对这几项关键技术进行了研究。 在LEO卫星移动通信系统中,“等通量”覆盖和最佳波束赋形是提高星载天线覆盖效率、保证最大系统容量的关键技术。与接收天线的波束赋形不同,发射天线的波束赋形除了满足主、旁瓣的要求外,还必须考虑阵列幅度加权对功率放大器效率的不利影响。论文提出了一种有限幅度加权的波束赋形新方法,并采用双重编码遗传算法实现阵列加权矢量的优化。通过有限位长的二进制编码把阵列加权矢量的幅度离散化来实现有限幅度加权,使幅度加权值仅仅在几个离散的台阶上变化,缩小了搜索空间,提高了算法的收敛速度;同时对阵列加权矢量的相位采用实数编码,保持了解的精确性。为了克服遗传算法的“早熟”,在采用自适应交叉和变异概率的基础上,提出一种“物种多样性”选择保留策略,使算法更有把握达到全局最优解或准全局最优解。理论分析和仿真结果表明,该方法能够在赋形波束的低旁瓣特性和功率放大器的高效率之间取得较好的折衷。 射频通道间的幅相误差对DBF系统的性能有着重要影响,是DBF系统研究的一个热点。通常考虑幅相误差对DBF系统旁瓣电平、波束指向、方向图增益等性能指标的影响。近年来,误差矢量幅度(EVM)作为评估通信系统的信号调制质量的一个指标,已经在许多商业标准中获得了应用,它表征了实际测量信号与参考信号之间的误差。论文以EVM指标为评估对象,利用概率统计的方法分析了DBF系统射频通道间的幅相误差对通信信号调制性能的影响,并通过仿真验证了理论分析的正确性。研究表明,引入EVM指标不仅可以更加全面地反映DBF系统幅相误差所引起的传输信号的损伤,而且可以简化DBF系统测试的复杂度。 在多变的空间环境中,射频通道的幅相特性会随着温度、时间的变化而改变,因此,DBF系统中通道间的幅相误差必须进行实时校正。在研究几种常用的星地环路校正技术的基础上,提出了一种m/WH复合正交码的星地环路校正新方法,研究表明该方法具有更好的鲁棒性;并进一步针对LEO卫星通信系统中附加路径损耗对校正性能的影响进行了仿真分析。 在星载相控阵天线系统中,虽然星地环路校正方法可以较好地实现通道间的幅相误差的校正,但是校正系数的获得容易受到星地链路的影响。因此,论文提出了一种校正DBF系统发射射频通道幅相误差的星上校正方法,该方法在发射通道中同时注入多路正交码变换的校正测试信号,通过接收多路发射机输出的合成信号,在基带校正算法单元利用正交码的时间相关性和IDFT并行处理方法,同时得到多路射频通道的校正系数。仿真实验结果表明该方法可以有效地实现发射射频通道幅相误差的校正。 发射组件是有源相控阵天线系统的核心部件,而发射组件的功率放大器又是发射组件的最关键部件,也是有源相控阵天线系统的最基本和最重要的部件。它直接决定了有源相控阵天线系统的性能和可靠性。它也是星载数字(发射)多波束相控阵天线系统中非线性失真的主要来源,非线性产生的带内失真和带外失真将直接影响DBF系统的性能。本文首先针对多波束系统,建立了表征互调波束特性的数学模型,对三阶互调波束进行了仿真分析;然后,通过ADS软件,构建了DBF系统级仿真模型,结合CDMA以及OFDM通信体制,分析了DBF系统发射机的带外和带内失真特性以及多波束的非线性失真特性,给出了相应的仿真结果。进一步研究了末级滤波器对DBF系统发射机非线性失真特性的影响。研究表明,末级滤波器可以有效抑制带外失真特性,但同时会导致带内失真的上升;与带内失真的上升相比,其带外失真特性的改善更具吸引力。DBF系统级的仿真分析可以更加全面有效地评估系统性能,降低设计风险,为星载DBF系统的工程实现提供参考与依据。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN821.8

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