一种基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法与流程

1.本发明属于卫星通信技术领域，特别涉及一种基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法。


背景技术：

2.随着信息技术的高速发展，卫星通信对于贯通星间链路、星地链路，形成天地一体化信息网络具有重要意义，相控阵天线以灵活的波束赋形能力在天地一体化信息网络中得到越来越广泛的应用。在无线接收系统设计论证过程中，首先基于eirp(equivalent isotropically radiated power，等效全向辐射功率)、解调体制、通信距离、雨衰状况等完成链路预算，获取满足链路余量要求的g/t值(地面站性能指数)，据此作为接收系统是否满足任务要求的依据。在实际工程实施过程中，基于相控阵天线的卫星无线接收通信系统的各功能单元往往根据经验，或者从本单元、本专业的角度完成关键指标设计，无法综合性能、成本、功耗、体积等因素，从系统的维度完成最优设计。系统设计与功能单元设计无法有效解耦，会导致过设计或欠设计现象出现，造成设计资源的极大浪费，也对系统性能指标的最终实现造成隐患。如对于具有数千支r组件的相控阵天线而言，相控阵天线r组件增益过大，或通信接收机噪声系数过小，均会导致成本、功耗的急剧增加，且通信接收机的带外抑制特性也会有所下降。因此，如何在满足系统指标的情况下，合理分配各功能单元关键指标及确定关键指标设计要求成为工程设计过程中亟待解决的难题。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，对接收系统进行功能划分，在系统链路预算满足设计要求的情况下，合理分配各功能单元关键指标、确定各功能单元的关键指标设计要求，解决工程实现过程中系统设计与功能单元设计紧耦合问题，完成基于性能、成本、功耗、体积的系统最优设计实现。
4.本发明提供的技术方案如下：
5.第一方面，一种基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，包括：
6.将基于相控阵天线的卫星通信接收系统分为相控阵天线阵面、相控阵天线r组件、射频电缆网络和通信接收机，确定关键设计参数，并预置部分关键参数；
7.根据系统链路预算涉及的信号解调体制，确定接收系统的载噪比，增加链路余量后获得接收系统的目标载噪比c/n0
目标
；
8.根据系统链路预算结果获取相控阵天线阵面的信号电平c1，确定相控阵天线阵面的载噪比c1/n01，将其与目标载噪比c/n0
目标
的差值作为相控阵天线阵面无源增益；
9.根据通信接收机噪声系数导致的载噪比恶化量的容限，确定相控阵天线r组件增益；
10.根据链路预算中到达相控阵天线阵面的信号电平c1、通信接收机中ad转换器入口
所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
28.根据本发明的第一方面，提供了一种基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，如图1所示，包括如下步骤：
29.步骤s1，将基于相控阵天线的卫星通信接收系统分为相控阵天线阵面1、相控阵天线r组件2、射频电缆网络3和通信接收机4，确定关键设计参数。
30.该步骤中，所述相控阵天线阵面1、相控阵天线r组件2、射频电缆网络3及通信接收机4对应的关键设计参数分别是相控阵天线阵面无源增益、相控阵天线r组件增益及噪声系数、射频电缆网络插损及噪声系数、通信接收机射频信道增益及噪声系数，见图2。
31.步骤s2，根据系统链路预算涉及的信号解调体制，确定接收系统的载噪比，增加若干链路余量(如3db)后获得接收系统的目标载噪比c/n0
目标
。
32.步骤s3，按照实际应用情况或传统设计方法，预置部分关键参数作为设计基础；具体地，按照实际应用情况确定射频电缆网络插损及噪声系数，按照传统设计方法约定相控阵天线r组件噪声系数、通信接收机噪声系数。
33.鉴于星载接收机射频通道均选用宇航级电路，部分元器件在插损及噪声系数上有所折中，按照传统常规设计，将通信接收机噪声系数设定为6db；射频电缆网络用于连接卫星舱外相控阵天线及舱内通信接收机，一般为3-5米，ka频段插损约8db，噪声系数为0.8db；将相控阵天线r组件的噪声系数设定为4db。
34.步骤s4，根据系统链路预算结果获取相控阵天线阵面的信号电平c1，确定相控阵天线阵面的载噪比c1/n01，将其与目标载噪比c/n0
目标
的差值作为相控阵天线阵面无源增益。
35.根据相控阵天线阵面无源增益，可确定相控阵天线阵面输出至相控阵天线r组件入口的电平c2及噪声功率n02：
36.相控阵天线r组件入口的电平c2＝相控阵天线阵面的电平c1+相控阵天线阵面无源增益，
37.相控阵天线r组件入口的噪声功率n02＝相控阵天线阵面的噪声功率n01+相控阵天线r组件噪声系数(天线r组件等效为无噪声网络)。
38.考虑后续确定的相控阵天线r组件增益、通信接收机射频信道增益，还可得到相控阵天线r组件出口、通信接收机入口的电平和噪声功率：
39.相控阵天线r组件出口的电平c2’
＝相控阵天线r组件入口的c2+相控阵天线r组件增益，相控阵天线r组件出口的噪声功率n02’
＝相控阵天线r组件入口的噪声功率n02+相控阵天线r组件增益。
40.通信接收机入口的电平c3＝相控阵天线r组件出口的电平c2’‑
射频电缆网络插损，通信接收机入口的噪声功率n03＝相控阵天线r组件出口的噪声功率n02’‑
射频电缆网络插损+通信接收机等效入口噪声功率kte(通信接收机等效为无噪声网络)。由于通信接收机等效为无噪声网络，通信接收机入口的载噪比与通信接收机出口的载噪比一致。
41.上述过程可得到卫星接收系统实际的载噪比c/n0
实际
(与通信接收机入口的载噪比一致)，其与目标载噪比c/n0
目标
的差值即为卫星接收系统实际的链路余量，以此作为关键参数(含预置参数)优化的依据。
42.步骤s5，根据通信接收机噪声系数导致的载噪比恶化量的容限，确定相控阵天线r
组件增益。
43.具体地，相控阵天线r组件增益通过以下方式确定：载噪比的恶化量为其中，g为相控阵天线r组件出口的噪声功率n02’
相对于后端通信接收机等效入口噪声功率kte的增益；相控阵天线r组件增益＝g+通信接收机噪声系数。
44.根据核算，相控阵天线r组件出口的噪声功率n02’
与后端通信接收机入口等效噪声功率kte相差10db时(g＝10db)，载噪比恶化量为0.41db，已知通信接收机的噪声系数为6db，暂定相控阵天线r组件增益为16db。
45.相控阵天线r组件的增益重要作用之一是对入口的噪声功率n02进行放大，使其输出噪声功率n02’
大大高于后端通信接收机等效入口噪声功率kte，降低二者叠加后因通信接收机噪声系数带来的载噪比的恶化量。
46.步骤s6，根据链路预算中到达相控阵天线阵面的信号电平c1、通信接收机中ad转换器入口电平要求以及通信接收机前级各单元增益及插损(包括相控阵天线阵面无源增益、相控阵天线r组件增益及射频电缆网络插损)，确定通信接收机射频信道增益，确保到达ad转换器入口的信号电平满足要求。
47.通信接收机射频信道增益通过下式确定：
48.通信接收机射频信道增益＝ad转换器入口电平要求-相控阵天线阵面的电平c1-相控阵天线阵面无源增益-相控阵天线r组件增益+射频电缆网络插损。
49.传统的通信接收机增益设计目标是，根据通信接收机的理论接收灵敏度，将信号放大后满足ad转换器入口电平要求，而在基于相控阵天线的卫星无线接收系统中，由于前级增益提高了噪声及信号电平，在满足载噪比c/n0的情况下，通信接收机入口电平往往高于通信接收机理论接收灵敏度，若继续使用传统设计方法必然导致接收机增益过大，出现过设计现象。本发明通信接收机接收增益设计更为合理，有效降低电路复杂度及成本。
50.至此，接收系统四组成部分的关键参数均已经初步确定，可通过逐级计算载噪比c/n0得到链路余量，必要时对预置参数进行调整。
51.本发明将相控阵天线的卫星通信接收系统的核心设计问题归结为解决载噪比c/n0满足要求的问题，在信源eirp确定的情况下，接收系统上述四个组成部分只有相控阵天线阵面无源增益能够通过增大电平c提高载噪比c/n0，其他三部分均因噪声系数的影响导致前级输入至本级的噪声功率n0变大，导致载噪比c/n0恶化。
52.预置关键参数调整方式阐述如下。
53.步骤s7，除相控阵天线阵面1外，将相控阵天线r组件2、射频电缆网络3、通信接收机4均等效为无噪声网络，按照无噪声网络，确定相控阵天线阵面1、相控阵天线r组件2、射频电缆网络3及通信接收机4前、后级间载噪比c/n0的变化情况，得到接收系统的实际载噪比c/n0
实际
，与目标载噪比c/n0
目标
进行复核，获取实际链路余量，若实际链路余量不满足要求，则优先增加相控阵天线无源增益，或降低相控阵天线r组件噪声系数。
54.采用提高载噪比c/n0以增大系统链路余量，通过增加相控阵天线阵面无源增益或降低相控阵天线r组件噪声系数最为明显，代价相对较低；其他如提高相控阵天线r组件增益，提高通信接收机增益，或者降低通信接收机噪声系数的方式收效甚微，且代价较大，可以此作为关键参数设计优化依据。
55.将相控阵天线r组件、射频电缆网络、通信接收机均等效为无噪声网络的步骤，具体为：
56.除相控阵天线阵面外，将相控阵天线r组件、射频连接网络、通信接收机抽象为入口噪声功率为ktab，噪声因子为f，增益为g的端口噪声网络，进一步将上述端口噪声网络抽象为等效入口噪声功率为kteb，增益为g，噪声因子为1的无噪声网络，微波信号通过该无噪声网络时电平c、噪声功率n0均以增益g等比例放大，载噪比c/n0保持不变。上述等效模型便于简化接收系统关键参数设计流程，并量化各功能单元对载噪比c/n0的影响。
57.按照无噪声网络，确定相控阵天线阵面1，相控阵天线r组件2、射频电缆网络3、通信接收机4前、后级间载噪比c/n0的变化情况的步骤，具体包括：
58.将相控阵天线r组件、射频电缆网络、通信接收机均抽象为无噪声网络，其入口噪声功率为仅与自身特性相关的等效入口噪声功率kteb与前级输入该入口的噪声功率的线性叠加，其对载噪比c/n0的恶化仅与其等效入口噪声功率电平kteb与前级输入至其入口的噪声功率的相对关系有关。假设前级输入至本级入口的噪声功率为n1(dbm)，本级等效入口噪声功率为n2(dbm)，n1-n2为增益g，则噪声功率的增加量为即射频信号通过该无噪声网络时c/n0的恶化量。
59.步骤s8，综合考虑系统链路余量、成本、功耗、体积，对上述关键参数进行优化，完成基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计。优选地，若需要进一步优化接收系统的成本、功耗、体积，优先降低相控阵天线r组件噪声系数，或增大通信接收机噪声系数对预置关键参数进行优化。
60.接收系统功耗、体积及成本对相控阵天线r组件增益、通信接收机增益及噪声系数最为敏感，相控阵天线r组件增益设计以减小通信接收机噪声系数带来的载噪比c/n0恶化为准，通信接收机增益设计以满足ad采集电平为准。鉴于前级增益提高了噪声功率，通信接收机噪声系数对载噪比c/n0的贡献甚小，按照常规设计实现即可，可以此作为关键参数设计优化依据。
61.根据本发明的第二方面，提供了一种基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计装置，用于：
62.将基于相控阵天线的卫星通信接收系统分为相控阵天线阵面、相控阵天线r组件、射频电缆网络和通信接收机，确定关键设计参数；
63.根据系统链路预算涉及的信号解调体制，确定接收系统的载噪比，增加链路余量后获得接收系统的目标载噪比c/n0
目标
；
64.按照实际应用情况或传统设计方法，预置部分关键参数作为设计基础；
65.根据系统链路预算结果获取相控阵天线阵面的信号电平c1，确定相控阵天线阵面的载噪比c1/n01，将其与目标载噪比c/n0
目标
的差值作为相控阵天线阵面无源增益；
66.根据通信接收机噪声系数导致的载噪比恶化量的容限，确定相控阵天线r组件增益；
67.根据链路预算中到达相控阵天线阵面的信号电平c1、通信接收机中ad转换器入口电平要求以及通信接收机前级各单元增益及插损，确定通信接收机的增益。
68.根据本发明的第三方面，提供了一种基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参
数设计设备，一个或多个处理器；
69.存储装置，用于存储一个或多个程序，
70.当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实施第一方面所述的基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法。
71.根据本发明的第四方面，提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实施第一方面所述的基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法。
72.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置、设备和可读存储介质的具体工作过程，可以参考前述方法中的对应过程，在此不再赘述。
73.本技术的装置、设备和可读存储介质技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
74.本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
75.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
76.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：将基于相控阵天线的卫星通信接收系统分为相控阵天线阵面、相控阵天线r组件、射频电缆网络和通信接收机，确定关键设计参数，并预置部分关键参数；根据系统链路预算涉及的信号解调体制，确定接收系统的载噪比，增加链路余量后获得接收系统的目标载噪比c/n0
目标
；根据系统链路预算结果获取相控阵天线阵面的信号电平c1，确定相控阵天线阵面的载噪比c1/n01，将其与目标载噪比c/n0
目标
的差值作为相控阵天线阵面无源增益；根据通信接收机噪声系数导致的载噪比恶化量的容限，确定相控阵天线r组件增益；根据链路预算中到达相控阵天线阵面的信号电平c1、通信接收机中ad转换器入口电平要求以及通信接收机前级各单元增益及插损，确定通信接收机的增益。2.根据权利要求1所述的基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，其特征在于，所述相控阵天线阵面、相控阵天线r组件、射频电缆网络及通信接收机对应的关键设计参数分别是相控阵天线阵面无源增益、相控阵天线r组件增益及噪声系数、射频电缆网络插损及噪声系数、通信接收机射频信道增益及噪声系数。3.根据权利要求1所述的基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，其特征在于，所述预置的部分关键参数包括：射频电缆网络插损及噪声系数、相控阵天线r组件噪声系数、通信接收机噪声系数。4.根据权利要求1所述的基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，其特征在于，所述根据通信接收机噪声系数导致的载噪比恶化量的容限，确定相控阵天线r组件增益的步骤中，相控阵天线r组件增益通过以下方式确定：相控阵天线r组件增益＝g+通信接收机噪声系数，其中，g为相控阵天线r组件出口的噪声功率n02’
相对于后端通信接收机等效入口噪声功率的增益，通过载噪比的恶化量反向求得。5.根据权利要求1所述的基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，其特征在于，所述根据链路预算中到达相控阵天线阵面的信号电平c1、通信接收机中ad转换器入口电平要求以及通信接收机前级各单元增益及插损，确定通信接收机的增益的步骤中，通信接收机射频信道增益＝ad转换器入口电平要求-相控阵天线阵面的电平c
1-相控阵天线阵面无源增益-相控阵天线r组件增益+射频电缆网络插损。6.根据权利要求1所述的基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，其特征在于，该方法还包括根据实际链路余量对预置关键参数的优化，具体地：将相控阵天线r组件、射频电缆网络、通信接收机均等效为无噪声网络，按照无噪声网络，确定相控阵天线阵面、相控阵天线r组件、射频电缆网络及通信接收机的前后级间载噪比c/n0的变化情况，得到接收系统的实际载噪比c/n0
实际
，与目标载噪比c/n0
目标
进行复核，获取实际链路余量，若实际链路余量不满足要求，则优先增加相控阵天线无源增益，或降低相控阵天线r组件噪声系数。7.根据权利要求6所述的基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，其特征在于，所述将相控阵天线r组件、射频电缆网络、通信接收机均等效为无噪声网络的步
骤，包括：将相控阵天线r组件、射频连接网络、通信接收机抽象为入口噪声功率为ktab，噪声因子为f，增益为g的端口噪声网络，进一步将上述端口噪声网络抽象为等效入口噪声功率为kteb，增益为g，噪声因子为1的无噪声网络，微波信号通过该无噪声网络时电平c、噪声功率n0均以增益g等比例放大，载噪比c/n0保持不变。8.根据权利要求6所述的基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，其特征在于，所述确定相控阵天线阵面、相控阵天线r组件、射频电缆网络及通信接收机的前后级间载噪比c/n0的变化情况的步骤，包括：将相控阵天线r组件、射频电缆网络、通信接收机均抽象为无噪声网络，其入口噪声功率为仅与等效入口噪声功率kteb与前级输入该入口的噪声功率的线性叠加，其对载噪比c/n0的恶化仅与其等效入口噪声功率电平kteb与前级输入至其入口的噪声功率的相对关系有关；假设前级输入至本级入口的噪声功率为n1，本级等效入口噪声功率为n2，n1-n2为增益g，则噪声功率的增加量为即射频信号通过该无噪声网络时载噪比c/n0的恶化量。9.根据权利要求1所述的基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，其特征在于，该方法还包括根据接收系统的成本、功耗、体积要求对预置关键参数的优化，具体地：通过降低相控阵天线r组件噪声系数，或增大通信接收机噪声系数对预置关键参数进行优化。10.一种基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计装置，其特征在于，用于：将基于相控阵天线的卫星通信接收系统分为相控阵天线阵面、相控阵天线r组件、射频电缆网络和通信接收机，确定关键设计参数，并预置部分关键参数；根据系统链路预算涉及的信号解调体制，确定接收系统的载噪比，增加链路余量后获得接收系统的目标载噪比c/n0
目标
；根据系统链路预算结果获取相控阵天线阵面的信号电平c1，确定相控阵天线阵面的载噪比c1/n01，将其与目标载噪比c/n0
目标
的差值作为相控阵天线阵面无源增益；根据通信接收机噪声系数导致的载噪比恶化量的容限，确定相控阵天线r组件增益；根据链路预算中到达相控阵天线阵面的信号电平c1、通信接收机中ad转换器入口电平要求以及通信接收机前级各单元增益及插损，确定通信接收机的增益。

技术总结
本发明提供了一种基于相控阵天线的卫星通信接收系统关键参数设计方法，包括：将基于相控阵天线的卫星通信接收系统进行功能单元划分，确定关键设计参数；确定接收系统的目标载噪比；按照实际应用情况或传统设计方法，预置部分关键参数作为设计基础，确定其他关键参数。对基于相控阵天线的卫星通信接收系统进行功能单元划分，辨识接收链路的设计核心及各功能单元关键设计参数，合理分配各功能单元的关键参数指标，打通系统链路预算与工程设计实现之间的关键环节，解决二者之间的紧耦合问题，从性能、成本、功耗、体积等方面提升工程设计实现的综合效费比，用于指导基于相控阵天线的卫星通信接收系统的设计实现。星通信接收系统的设计实现。星通信接收系统的设计实现。


技术研发人员：王松 吴东航 苏宁 梁锦涛 李靖 李超
受保护的技术使用者：航天长征火箭技术有限公司
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/6