合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置及波束成形方法制造方法及图纸

本发明专利技术公布了一种用于产生追踪移动用户的波束的多波束卫星天线波束成形网络装置及波束成形方法，包括波束产生及资源分配模块、变系数波束加权网络、可编程开关阵列、馈源信号合成网络、波束移动性管理控制模块；可编程开关阵列：包括多个横行、多个纵列、位于横行与纵列交叉点上的开关，通过闭合开关连通阵列中的横行与对应纵列；本发明专利技术能够实现卫星多波束天线各波束在系统覆盖区域内连续扫描的效果，可独立于不同通信传输体制，可解决现有固定多波束卫星系统中为实现跨波束小区服务需要进行越区切换等复杂的移动性管理问题。

【技术实现步骤摘要】
合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置及波束成形方法
本专利技术属于通信
，涉及卫星通信技术，尤其涉及一种合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置及波束成形方法，用于产生追踪移动用户的波束。
技术介绍
宽带/移动/高速率卫星通信是当前的研究热点和行业关注焦点。所谓宽带卫星通信系统，泛指承载和提供宽带互联网接入业务及新型宽带多媒体业务的各种高速卫星通信系统，其传输速率标准一般要求相应的用户最高数据速率能达到2Mbps或更高。广义上讲，宽带卫星通信包括宽带卫星移动通信(MSS)和宽带卫星固定通信(FSS)两种类型。事实上，宽带卫星固定通信也日益强调对用户移动性(即便是位置可变性)的支持，即所谓OTM卫星通信系统(SatelliteCommunicationsOnTheMove)[MilsatMagazine,“StayingOnTrack—SatelliteCommunicationsOnTheMove,”http://www.milsatmagazine.com/,January2012]。宽带卫星通信系统的一个典型特点是采用多点波束卫星天线。显然，多波束天线是卫星移动通信获得较大用户容量的根本和关键。当前宽带卫星通信系统基本上都是采用固定覆盖的多点波束实现广域通信。固定多波束天线(MBA:MultipleBeamAtenna)属于智能天线(SmartAntenna)的一种初级形式，由于结构简单、易于构建、无须复杂自适应算法的特点，非常适合卫星通信系统通过空间频率复用来提高系统容量。目前的多波束形成一般是采用多个馈源(通常是7个)合成一个波束的方式(MFB：MultipleFeedsperBeam)，[P.Gabellini,N.Gatti,“AdvancedOptimizationTechniquesforSatelliteMulti-BeamandReconfigurableAntennaandPayloadSystems,”The2ndEuropeanConferenceonAntennasandPropagation,pp.1-6,Nov.11-16,2007]。基于固定多波束天线的卫星通信系统针对移动应用时，必须要在通信传输体制中包含有越区切换等移动性管理功能。卫星多波束天线(MBA:MultipleBeamAntenna)在上世纪70-80年代开始发展，但形成的波束相对较大而且数目较少，初期采用单馈源单波束(SFB:SingleFeedperBeam)技术，后来多采用多馈源单波束成形(MFB:MultipleFeedsperBeam)技术，与相控阵列天线相比多波束天线使用的馈源波束窄方向性强[J.Mayhan,“Areacoverageadaptivenullingfromgeosynchronoussatellites:Phasedarraysversusmultiple-beamantennas,”IEEETransactionsonAntennasandPropagation,vol.34,issue.3,pp.410-419,1986]；90年代开始广泛应用于卫星移动通信系统，其中GEO卫星系统的波束可达数十甚至上百个；在宽带卫星固定通信系统中也获得了广泛应用，例如Viasat-1卫星拥有72个Ka频段点波束覆盖北美地区。近年的研究热点是地基波束成形技术(GBBF:GroundBasedBeamForming)，其特点是波束成形网络在地面实现，具有可灵活配置的优点，典型例子是2009年发射的TerreStar卫星，波束数目达500多个；欧洲航天局也针对GBBF技术展开了立项研究。多波束天线技术的其它一些研究方向还包括跳波束技术研究(BeamHopping)[J.Anzalchi,A.Couchman,P.Gabellini,G.Gallinaro,L.D'Agristina,N.Alagha,P.Angeletti,“Beamhoppinginmulti-beambroadbandsatellitesystems:Systemsimulationandperformancecomparisonwithnon-hoppedsystems,”The5thAdvancedsatellitemultimediasystemsconference(asma)andthe11thsignalprocessingforspacecommunicationsworkshop(spsc),pp.248-255,2010]，可以对波束成形相关电路进行分时共用，从而扩大覆盖范围或增加各波束内的频带资源。自适应波束成形技术在卫星天线中的应用也是在上世纪70-80年代开始发展，早期主要研究波束数量较少时基于相控阵的扫描式波束技术(ScanningBeam)[D.O.Reudink,Y.S.Yeh,“AHigh-CapacitySatelliteUtilizingFixedandScanningSpotAntennaBeams,”The8thEuropeanMicrowaveConference,pp.123-129,1978]；在多波束天线(MBA)方面的应用主要是通过自适应调零技术来消除干扰[L.J.Mason,“Adaptivenullingwithamultiple-beamantennainFH/FDMAsatellitecommunications,”CanadianConferenceonElectricalandComputerEngineering,vol.1,pp.413-416,1993]。90年代提出通过自适应相控阵列天线(APA:AdaptivePhasedArray)进行波束成形的“单用户单波束”概念(SingleUserPerBeam)，主要研究的是相应的波束成形网络实现方法或自适应算法，涉及的波束数目较少[T.Gebauer,H.G.Gockler,“Channel-individualadaptivebeamformingformobilesatellitecommunications,”IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,Vol.13,Issue.2,pp.439-448,1995]、[W.Li,XinpingHuang,H.Leung,“Performanceevaluationofdigitalbeamformingstrategiesforsatellitecommunications,”IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems,Vol.40,Issue.1,pp.12-26,2004]；近期的主要研究方向是把地面现有成熟的大规模阵列天线自适应技术(也即相控阵技术)直接应用至卫星[13,14,15][M.Barrett,F.Coromina,“Developmentandimplementationofanadaptivedigitalbeamformingnetworkforsatellitecommunicationsystems,”The6thIn本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置，包括波束产生及资源分配模块、变系数波束加权网络、可编程开关阵列、馈源信号合成网络、波束移动性管理控制模块；所述合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置能够产生用于追踪多波束卫星移动通信系统的移动目标的波束；A)波束产生及资源分配模块：用于产生或撤销卫星通信系统波束阵列中的波束信号，并按照复用规则进行波束内频率和功率资源的分配；B)变系数波束加权网络：用于对波束信号实施复数乘法进行加权移相；C)可编程开关阵列：包括多个横行、多个纵列、位于横行与纵列交叉点上的开关，通过闭合开关连通阵列中的横行与对应纵列；所述可编程开关阵列中：a)横行开关的数目至少为最大可产生波束数的七倍，纵列数目为系统所采用的馈源总数；每七个横行构成一个可编程开关子阵列，对应每个波束的七个加权分支；b)横行与纵列交叉点处并不都设置开关；所有可编程开关子阵列的开关配置图案一致；c)可编程开关子阵列中，与每个纵列交叉的七个横行中只设置一个开关，可编程开关子阵列中总开关数等于馈源总数；d)可编程开关阵列中的开关为常开开关，每个可编程开关子阵列中每次最多可同时闭合七个开关；D)馈源信号合成网络：用于对来自各波束的信号进行累加，并进行必要的幅相校正及变频，产生馈源合成信号；E)波束移动性管理控制模块：用于监控管理用户的移动性，计算波束加权系数，对所述可编程开关阵列的开关状态进行配置。...

【技术特征摘要】
1.一种合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置，包括波束产生及资源分配模块、变系数波束加权网络、可编程开关阵列、馈源信号合成网络、波束移动性管理控制模块；所述合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置能够产生用于追踪多波束卫星移动通信系统的移动目标的波束；A)波束产生及资源分配模块：用于产生或撤销卫星通信系统波束阵列中的波束信号，并按照复用规则进行波束内频率和功率资源的分配；B)变系数波束加权网络：用于对波束信号实施复数乘法进行加权移相；C)可编程开关阵列：包括多个横行、多个纵列、位于横行与纵列交叉点上的开关，通过闭合开关连通阵列中的横行与对应纵列；所述可编程开关阵列中：a)横行开关的数目至少为最大可产生波束数的七倍，纵列数目为系统所采用的馈源总数；每七个横行构成一个可编程开关子阵列，对应每个波束的七个加权分支；b)横行与纵列交叉点处并不都设置开关；所有可编程开关子阵列的开关配置图案一致；c)可编程开关子阵列中，与每个纵列交叉的七个横行中只设置一个开关，可编程开关子阵列中总开关数等于馈源总数；d)可编程开关阵列中的开关为常开开关，每个可编程开关子阵列中每次最多可同时闭合七个开关；D)馈源信号合成网络：用于对来自各波束的信号进行累加，并进行必要的幅相校正及变频，产生馈源合成信号；E)波束移动性管理控制模块：用于监控管理用户的移动性，计算波束加权系数，对所述可编程开关阵列的开关状态进行配置。2.如权利要求1所述合成追踪波束的卫星多波束成形网络装置，其特征是，所述可编程开关阵列中，子阵列的开关配置图案可通过以下步骤进行配置得到：1)对可编程开关子阵列中的纵列，在卫星天线上的射频馈源单元阵列中选择一个馈源与可编程开关子阵列中的一个纵列相对应，该馈源作为第1个馈源；对可编程开关子阵列中的横行，选择一个波束加权分支与之相对应；可编程开关子阵列中的纵列与相对应馈源形成一根连线，可编程开关子阵列中的横行与相对应的加权分支形成另一根连线，在两根连线的交叉点处设置一个连接开关；并在频馈源单元阵列图中将该馈源标记为对应波束加权分支的序号；2)在馈源单元阵列中，分别对第1个馈源构成的第1圈馈源中的每个馈源进行加权分支选择和标定：对每个待标定馈源，按顺序分别选择剩余的波束加权分支中的一个，执行与步骤1)相同的操作，在两根连线的交叉点处设置一个连接开关，并在馈源阵列图中将该馈源标记为对应波束加权分支的序号；3)分别对第1个馈源构成的第2圈馈源的每个馈源，按与步骤2)相同的顺序进行加权分支选择和标定：在可编程开关子阵列中待标定馈源对应纵列和选定加权分支序号对应横行的交叉点处设置一个连接开关，并在二维平面馈源阵列图中将该馈源标记为对应波束加权分支的序号；包括如下步骤：3.1)在馈源单元阵列中，寻找内层已标定加权分支序号的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建军，王冰，刘宇邦，李昊尘，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11