高速率深空通信中天线组阵关键技术的研究

【摘要】 近年来，随着人类对电磁波传播理论的深入研究，以及对深空探测活动的不断探索，天线组阵技术由于其低成本、高性能、高可靠性以及高灵活度等诸多优点，受到了中外学者的广泛关注，在高速率深空通信中具有良好的应用前景。本文在对国内外天线组阵研究现状进行总结后，分析了在高速率深空通信中实现天线组阵的关键难点；针对其通信频带内的相位特性，研究了子频带分割与接收信号重建技术；并在进一步完善了经典相关算法理论体系后，提出了新的高性能自适应相关算法；最终设计出了适用于高速率深空通信的天线组阵仿真系统；另一方面，针对可用于天线组阵原理样机的功分器与阻抗变换器进行了深入研究。本文所取得的主要研究成果为如下：1.在高速率深空通信中实现天线组阵的关键难点。经过系统的分析、推导与研究，得出了本课题中所需解决的关键问题与技术难点主要包括：在极低接收信噪比条件下快速、准确的获得各接收信号间的相位关系；消除在通信频带内上述相位值分布的2π模糊现象，及其引起的时延计算值错误；降低由时延校正残余量带来的频带内相位滑动现象，及其导致的信号间相关性下降。2.子频带分割与接收信号重建技术在天线组阵中的应用。针对天线组阵中高速率宽带信号合成面临的2π模糊和相位滑动现象，论述了子频带分割技术在天线组阵中的应用原理，通过理论分析与推导得出了不同条件下满足信号合成要求所需的子频带数目，并提出了相应子频带分割方法所能实现的时延差校正范围。然后，将多相滤波器组信道器应用于对接收信号的分割与重建中，设计了可重建的512路信道分解器与合成器，实现了对连续频谱信号进行有效的频带分割与重建，并通过仿真实验对比了不同子频带数目下对于QPSK调制信号的重建误差以及对子频带相位信息完成解卷绕后系统的时延差校正能力。3.经典相关算法理论体系的完善。首先，推导出了Matrix-Free算法的合成性能估算公式，并与文献中SUMPLE算法的合成性能估算公式做对比，得出Matrix-Free算法在相同条件下的合成损失低于SUMPLE算法。然后，通过引入天线阵接收信号的协方差矩阵，推导出了SUMPLE算法收敛速率的依赖关系，得出在相同条件下SUMPLE算法比Matrix-Free算法拥有更快的收敛速度。4.高性能相关算法的研究。首先，通过分析Matrix-Free算法和SUMPLE算法在运行过程中权值更新量方差的特性，找到了其随迭代计算过程运行的变化趋势，并给出了两种算法的权值更新量方差的估计方法。然后，通过引入Sigmoid函数，以权值更新量方差作为引导参数，提出了一种高性能的自适应相关算法。在不增加运算空间复杂度的情况下，SVS-MF算法具有与Matrix-Free算法接近的合成效率以及与SUMPLE算法接近的收敛速度，从而具有最优的综合性能。5.参数化天线组阵技术仿真系统的研究。提出了适用于高速率深空通信中天线组阵技术的信号合成方案，并基于SVS-MF相关算法以及子频带分割与重建技术设计了参数灵活可调的天线组阵仿真系统。在进行了大量仿真试验后得出，通过设置适当的相关平均间隔，仿真系统可以针对不同的组阵形式在极低的接收信噪比下实现较高的合成性能，并实时评估合成损失。6.可用于天线组阵技术演示验证系统的微波器件设计。针对天线组阵演示验证系统，对其中的关键器件多频带功分器以及阻抗变换器进行了深入的研究。首先，提出了一种紧凑型双频双路功率分配器设计方法，并对实物模型进行了性能评估。另一方面，提出了一种四频带阻抗变换理论以及闭合的设计公式，其可以在三个不相关频率以及一个受约束频率上实现完美的实阻抗变换。 

第一章 绪论

§1.1 研究背景与意义
自从人类文明诞生以来，我们对宇宙的好奇与探索就从未停止过。仰望苍穹，映入眼帘的点点繁星激起了人们对星空的无限渴望。于是，眼睛成为了太空探索最初的工具。古人通过使用肉眼观察星球的位置、运动以及明暗来指导经济、军事等活动。古希腊天文学家 Aristarchus 通过肉眼对月球的观测提出了最原始的太阳系模型[1]。从公元 1609 年开始，Galileo 使用光学望远镜对星空进行了一系列观测[2]。通过这些观测，他发现了月球表面的凹凸性、木星的卫星、太阳黑子以及银河是由大量恒星组成。这是人类首次将望远镜投入到科学研究中。此后，无线电技术的出现与发展更是使人类具有了一件探索宇宙的超级武器。1931 年，美国贝尔实验室的 Jansky 首次使用天线阵列接收到来自银河系的无线电波，开创了天线技术应用于天文学的先河[3]。
随着航空航天技术的发展，人类早已不满足于在地球上观测宇宙。大推力火箭的成功应用，终于使人类迈出了走出地球的第一步。1959 年 1 月 2 日，苏联成功发射了人类第一个星际探测器“月球 1 号”[4]。从此，使用航天器对宇宙及其天体进行探测的时代拉开了序幕。而所有的这些航天器，都通过电磁波与地面站保持联系。这种对航天器进行跟踪测轨、遥测、遥控及通信的活动被称为测控通信（C&T）[5]。人类发射的航天器飞的越来越远，其中最具代表的旅行者 1 号（Voyager1）于 1977 年 9 月 5 日发射，在于 1980 年完成了木星任务后又进行了其他太阳系行星的任务，并且开始了向太阳系外的银河系空间飞行。1988 年之前，世界无线电管理大会（World Administrative Radio Conference，WARC）将地球与月球的平局距离（3.8×105公里）作为深空宇宙的分界线[6]。1988 年，世界无线电大会明确的将距离地球 2×106公里以外的宇宙空间称为深空[7]，深空探测的时代终于到来。
随着通信距离的增加，自由空间传播损耗越来越大[8]，到达地球的信号功率也就越来越弱[9]，于是地面天线站的接收信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）也就越来越低[10]。而信噪比降低则会导致误码率增加[11]，所以必须通过降低通信的数据速率来降低误码率[12]，，于是大大的降低了数据返回量[13]。由于接收机输入端的信噪比取决于地球站的灵敏度因子 G/T 值[14-17]，因此人们通过建造大口径反射面天线来增加接收天线的增益[18]，并使用先进的制冷技术降低接收机系统噪声来提高G/T 值[19-21]。美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）与加州理工学院联合管理的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）于 1958 年建立了口径达到 26 米工作在 L 波段（960MHz）的卡塞格伦天线[22]。于是，各种大口径低噪声天线系统开始被广泛应用于深空探测中。1989 年为了配合旅行者号掠过木星，NASA 将原有的 64 米天线升级为 70 米，该项工程实现了在 X 波段近 1.9dB 的性能提高[23]。
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§1.2 国内外研究现状
从上世纪 50 年代末开始，NASA 先后在美国加利福尼亚州的戈尔德斯顿、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉建立了三个深空站。这三个深空站每隔 120°均匀分布于地球表面，可以完成对深空探测器 24 小时全天候的测控通信任务。
由于从国际彗星探测器 3 号任务中获得了良好的实验结果，在 20 世纪 80 年代旅行者 2 号（Voyager 2）探测器与海王星相遇时，NASA 使用了位于 Goldstone的70米大天线和2个34米的天线与射电天文协会的27个天线组成大规模天线阵，并得到了超过预期的数据返回量[24]。于是天线组阵技术开始广泛应用于深空测控通信中。
1.2.1 组阵技术研究现状
目前，共有五种基本的组阵方案被用来实现合成深空探测器的回传信号[35]。这些合成方案分别为：
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第二章 深空通信中天线组阵技术的原理及难点

§2.1 引言
经过几十年的探索与实践，天线组阵技术在深空通信中逐渐开始发挥越来越重要的作用。但是，目前的通信任务即使是下行链路往往也仅局限于较低的数据速率，极大的限制了科研任务的数据返回量。在此情况下，需要天线组阵技术发挥其应有的作用。但是，将天线组阵应用于高速率深空通信具有大量的技术难题，尤其是在宽带信号合成领域，而信号合成又是天线组阵技术的核心问题。所以，本节以宽带信号合成为重点，系统阐述了天线组阵技术的工作原理，研究并分析了其应用在高速率深空通信中的技术难点，为后文中有针对性的解决这些问题指明了方向。
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§2.2 深空通信中天线组阵技术的概念
天线站的灵敏度因子 G/T 值在很大程度上决定了接收信号的的信噪比，天线组阵技术的核心目标就是累加阵列内所有天线的 G/T 值。换言之，理想阵的合成灵敏度因子就是各天线站的单元灵敏度因子的代数和[24]，其关系式为：
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第三章 子频带分割与近似完全重建技术.................... 39-55 
§3.1 引言 ............................39 
§3.2 子频带分割技术.......................... 39-41 
§3.3 多相滤波器组信道器原理与设计方法................... 41-47 
3.3.1 多相滤波器组信道器原理................ 41-45 
3.3.2 2fs/M 样本率的信道分解器设计方法.............. 45-46 
3.3.3 2fs/M 样本率的信道合成器设计方法 .....................46-47 
§3.4 应用于宽带信号合成的信道器设计 .............47-53 
3.4.1 多相滤波器组设计........................ 48-50 
3.4.2 单位脉冲信号重建评估....................... 50-52 
3.4.3 宽带 QPSK 信号重建评估 .........................52-53 
§3.5 本章小结......................... 53-55 
第四章 天线组阵技术中高性能相关算法的研究 .................55-77 
§4.1 引言 .....................55-56 
§4.2 经典相关算法及其原理 .........................56-59 
4.2.1 SIMPLE 算法..................... 56-57 
4.2.2 SUMPLE 算法............................ 57-58 
4.2.3 Matrix-Free 算法............................... 58-59 
§4.3 经典相关算法性能分析与比较 ........................59-65 
4.3.1 Matrix-Free 算法合成性能估计 ......................59-62 
4.3.2 SUMPLE 算法与 Matrix-Free 算法收敛速度的研究................. 62-65 
§4.4 基于 Sigmoid 函数的高性能相关算法 ....................65-75 
4.4.1 Matrix-Free 算法与 SUMPLE 算法权值更新量方差分析............ 65-68 
4.4.2 Sigmoid 函数性质分析......................... 68-71 
4.4.3 SVS-MF 算法 ..........................71-75 
§4.5 本章小结......................... 75-77 
第五章 参数可调的天线组阵仿真系统设计..................... 77-95 

第六章 可用于天线组阵原理样机的微波器件设计

§6.1 引言
为了进一步验证应用于仿真系统中的技术的有效性，应用于天线组阵技术演示验证系统的原理样机的研制是十分有必要的。目前，由于存在许多已经发射的深空航天器仍在工作，所以未来深空通信下行链路接收天线阵的发展趋势是既要工作于高速率通信所需要的Ka频带，还要服务已经存在的工作于X波段的探测器。因此，用于天线组阵技术演示验证系统的原理样机应具备双频段甚至多频段的通信能力。而功率分配器和阻抗变换器作为微波通信系统中的关键器件，对其进行深入研究具有重要意义。本章将主要针对双频双路功率分配器设计和多频段阻抗匹配技术进行了深入研究，为后续原理样机的开发进行技术储备。
§6.2 基于渐变线的双路双频带功分器设计
渐变传输线定义为在两个不同阻抗之间，传输线的特性阻抗连续的由一个阻抗值变为另一个阻抗值，并使反射系数控制在一定范围内[142]。而不均匀传输线是渐变传输线的一种，其参数随长度的变化而变化，所以其特性阻抗是随传播方向逐渐改变的。在多节四分之一波长变阻器中，其阻抗的变化具有不连续性，对设计会产生不良影响。所以在无限多节的匹配变换器可以进化为渐变传输线，而渐变传输线则可以避免阶梯阻抗造成的不连续性，从而实现宽频带匹配。
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总结

本文在分析了将天线组阵应用于高速率深空通信中的关键技术与难点后，围绕得出的结论开展了一系列工作。首先，针对其通信频带内的相位特性将多相滤波器组信道器应用于子频带分割与重建中。并且，在进一步完善了经典相关算法理论体系后，提出了新的高性能自适应相关算法。然后，设计出了适用于高速率深空通信的参数灵活可调的天线组阵仿真系统。同时，针对可用于天线组阵实验演示系统原理样机的功分器与阻抗变换器设计方法进行了较为深入研究。主要工作概括如下：
1. 系统的分析了在高速率深空通信中实现天线组阵的技术难点。经过分析、推导与论证，得出了本课题中所需要解决的关键问题与技术难点主要包括：在极低接收信噪比下快速、准确的获得频带内的相位分布；解决通信频带内相位分布的 2π 模糊现象引起的时延校正范围限制问题；减弱频带内相位滑动现象引起的信号合成损失。
2. 可重建信道器在天线组阵技术中的应用。针对天线组阵技术中宽带信号合成面临的 2π 模糊和相位滑动现象，论述了子频带分割技术在天线组阵信号合成中应用的原理，以及不同条件下满足信号合成要求和时延差校正范围所需的子频带数目。然后，将多相滤波器组信道器应用于对接收信号的分割与重建中，通过选择正确的参数，设计了可重建的 512 路信道器，实现了对 QPSK 调制信号等连续频谱信号进行有效的频带分割与重建。
3. 进一步完善了经典相关算法的理论体系。首先，推导出了 Matrix-Free 算法的合成性能估算公式，在与文献中 SUMPLE 算法的合成性能估算公式对比后，得出 Matrix-Free 算法在相同条件下的合成效率高于 SUMPLE 算法。然后，通过引入天线阵接收信号的协方差矩阵，推导出了 SUMPLE 算法收敛速率的依赖关系，并得出其在相同条件下拥有比 Matrix-Free 算法更快的收敛速度。
4. 提出了收敛速度快、合成效率高的 SVS-MF 相关算法。首先，通过分析Matrix-Free 算法和 SUMPLE 算法的权值更新量方差随迭代计算过程运行的变化趋势，给出了两种算法的权值更新量方差的估计方法。然后，通过引入 Sigmoid 函数，以权值更新量方差作为引导参数，提出了一种高性能的自适应相关算法。在不增加运算空间复杂度的情况下，SVS-MF 算法具有与 Matrix-Free 算法接近的合成效率以及与 SUMPLE 算法接近的收敛速度，从而具有最优的综合性能。
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参考文献（略）