星载多波束阵列天线中单元失效分析

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1、第31卷第5期航天电子对抗9星载多波束阵列天线中单元失效分析宋海伟，洪春冲，李文魁，苏抗，田达(中国航天科工集团8511研究所，江苏南京210007)摘要：针对星载多波束阵列天线无法更换失效阵元或射频通道的问题，提出一种基于系统性能指标判定最大允许失效单元数的方法。给出了基于实数编码遗传算法综合的六边形阵列天线赋形多波束方向图，建立了单元失效时多波束增益方向图模型，并以多波束CDMA卫星通信系统为例，推导了单元失效时系统信噪比和容量公式。仿真结果表明，存在幅相误差的情况下，每失效1个单元系统接收信噪比

2、约下降1．5dB；当系统要求单波束用户容量不低于2个时，最大允许失效单元数为1个。关键词：单元失效；多波束；阵列天线；卫星中图分类号：TN973：TN821文献标识码：AAnalysisofelementfailureinspace-bornemultibeamarrayantennaSongHaiwei，HongChunchong，LiWenkui，SuKang，TianDa(No．8511ResearchInstituteofCASIC，Nanjing210007，Jiangsu，China)Ab

3、stract：Aimingattheproblemthatfailedelementsareimpossibletobereplacedonboardforspace—bornemultibeamarrayantenna，anovelmethodisproposedtodeterminethemaximalnumber0ffailedelementsbasedonsystemperformancemetrics．Firstlytheshapedbeampatternof19一elementsmulti

4、beamhexagonalarraybasedODreal—codeGeneticalgorithmisshowed．Thegainpatternmodelafterelementfailureisestablished，andmeanwhiletheformulasofsystemSNRandusercapacityarededuced，whichisperformedformultibeamsatellitecommunicationsystemusingCDMA．Numericalresults

5、confirmthatwhenamplitudeandphaseerrorsareexisted，receivedSNRisdecreasedas1．5dBperoneelementfailure；themaximalnumberofdefectiveelementsisallowedtOonewhenthesystemcapacityofonebeamcellisrequiredtObegreaterthan2．Keywords：elementfailure；multibeam；arrayanten

6、na；satelliteO引言星载多波束阵列天线有效解决了卫星通信天线宽覆盖和高增益的矛盾，已成为全球卫星通信系统的标准配备载荷口]。但是长时间暴露在宇宙空间的天线阵元极有可能损坏失效。而射频通道相比阵元存在更大失效风险。阵元失效和射频通道故障均会导致波束形成器输入异常，致使波束方向图发射畸变，故将阵元失效和通道失效合称为单元失效。由于失效单元无法在轨更换，所以分析星载多波束天线对单元失效的容忍度是非常必要的。高铁等人从概率的角度，理论推导了同时存在幅相误差和单元失效的情况下，矩形栅格收稿日期：201

7、5—05—12；2015—08—17修回。作者简介：宋海伟(1986一)，男，工程师，博士，主要从事卫星通信、星载多波束天线技术研究。阵列天线副瓣最高电平和天线增益损失的近似公式[2]。熊年生等人考虑天线单元的幅相加权的差异，不同位置的单元对副瓣贡献程度不同，最后分析失效T／R组件位置与天线副瓣电平变化关系[3]。从通信性能的角度评价单元失效的影响是当前重要的研究方向。本文以7波束19元星载六边形阵列天线为研究对象，建立了单元失效情况下波束增益模型，并推导了单元失效时多波束CDMA卫星通信系统的信噪比

8、和容量公式，最后通过蒙特卡洛仿真分析单元失效的影响。1星载多波束六边形阵天线方向图建模采用标准六边形阵列(SHA)，几何构型如图1所示，其中包含19个阵元，间距为0．545),，A为接收信号的波长，阵列工作在L频段。若第i个阵元位置为10航天电子对抗2015(5)(z，，y，)，其幅度和相位激励系数为J，和口。，则SHA的阵列响应函数为：S(O，妒)一∑Iiexp(j(k。(础+y，u)+口：))F。(口，驴)(1)式中，k。=27r／A，N=19，u=