第30卷第6期2009年11月宇航学报JournalofAstronauticsVo1．30No．6November2Oo9星载多波束发射阵列天线多通道数字上变频设计梁广一，龚文斌，刘会杰，余金培(1．上海微小星工程中心，E海200050；2．中科院上海徽系统与信息技术研究所，上海200050)摘要：针对多波束发射阵列天线输入为中频宽带信号的特点，设计r数字波束成形网络方案，提出了一种适合于工程实施的多通道数字七变频并7_j_处理算法，同时设计了一个集混频滤波和预加重处理功能于一体的复合滤波器，并结合反馈式增强锁相环和逻辑锁定技术提高了阵列天线各通道的幅相一致性。通过仿真分析和工程试验表明，提出的算法利用多相滤波器结构、分布式算法和复用式设汁既减少了运算量，又有效降低了硬件资源消耗；采用的复合滤波技术及时钟同步技术提高了通道的幅相一致性，确保了相控阵天线波束赋形的效果。该设计的算法和硬件实施技巧埘资源有限的大规模阵列信号处理有较好的借鉴价值，对宽带数字收发信机信号流设计也有一定的参考意义。关键词：相拧阵天线；多波束；数字波束形成；星通信；数字上变频中图分类号：TN927文献标识码：A文章编号：1000—1328(2009)06—2270—07DOI：10．3873／i．issn．1000—1328．2009．00．0360引言上世纪九十年代，有源相控阵技术开始用于通信卫星星载天线，它具有损耗低、可大角度动态扫描的优势，而且利用阵列天线的空间分集效果在地球表面实现多波束覆盖，通过波束问频率复用，极大提高了卫星通信系统的用户容量。有源相控阵天线可通过馈电网络在射频实现模拟波束形成，或者通过数字域处理在基带或中频实现。近年来，采用数字技术实现波束形成受到了广泛关注。与模拟波束形成网络相比，数字波束形成网络具有不漂移、不老化、工作可靠、可自检、可编程、精度高等一系列优点。而且数字波束形成技术配置灵活，支持动态在轨重构。它们重量更轻，体积更小，使得相控阵天线更易做到小型化、低功耗。因此数字波束形成技术成为相控阵天线的发展趋势，欧洲的Artemis卫星采用DBF技术的系统信道数量是采用模拟波束形成网络的2倍，而两者的等效质量基本相同(前者为172．5Kg，后者为184．2Kg)。2005年EADS的Astri．1lm公司制造的Imnarsat一4卫星利用数字波束成形技术产生l6个宽波束、228个点波束，提供全球无缝移动语音和因特网宽带业务。收稿日期：20081230；修【B]日期：200902．09基金项目：上海市科委重大科技项目攻关(03DZ15009)当前由我单位主体负责的“十一五”重大预研项目“星载多波束相控阵天线”，已经完成一个l6波束，61通道的发射天线原理样机的研制，准备研制适合未来中低轨卫星通信的星载多波束天线正样产品。1DBF方式相控阵发射天线组成及接口要求星载多波束相控阵天线包括阵列挽线、多通道射频前端、上变频部分、幅相调整单元和波束形成单元外，还有与有效载荷接人单元、星载计算机的接口电路⋯，如图1所示。对相控阵天线波束成形部分进行数学建模。卫星载荷接人单元发射M个波束信号，以矢量表示：(S，S，⋯，S)；相控阵天线共有Ⅳ个阵元用向量(T，，⋯，71~)表示，波束成形部分的成型矩阵．．Ⅳ：C"．、=CJC2●：C4，其中矩阵胞元Ci，，代表在第路射频通道中第i路波W束信号的延时。：∑S·Ci因此需要进行M次，=1复数乘法运算才能得到每个天线阵元发射信号。第6期梁广等：星载多波束发射阵列天线多通道数字上变频设计2271图1相控阵天线组成框图Fig．1Theframeofphasedarrayantenna幅相调整单元可在数字域实现通道幅度相位调整，甚至可加入射频通道预加重、功放预失真操作。对于发射天线，常规是是从射频天线馈电口处耦合信号，通过射频开关切换陆续将各个通道信号经过下变频交给幅相调整单元处理，也有文章报道在天线处耦合，希望能消除天线互耦影响]。应根据信号特点如带宽、频点选择合适的幅相校正算法，如自适应LMS算法等。射频前端模拟电路常规输人频点是30MHz或70Mm(针对该频点设计的芯片多而且成熟)，而载荷接入部分输出的频点往往是近零中频。本文涉及的研究课题的输入接口要求苛刻：中心频点厂为l0MHz，带宽B也为10MHz。若采用模拟上变频处理，上下边频问隔4厂=2厂一B=10MHz...
