深空大规模天线组阵布局设计

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1、第32卷第1期2013年2月飞行器测控学报JournalofSpacecraftTT&CTechnoIogyV01．32No．1Feb．2013深空大规模天线组阵布局设计’徐茂格(中国电子科技集团公司第十研究所·成都·610036)摘要：针时深空测控通信背景下大规模组阵的天线布局优化问题，给出了优化日标(即单元波束内舍成波束附近的旁瓣最小化)以及优化边界条件(包括天线数、天线口径、工作频段、最小间距和最大布局范围等)，并在此基础上建立了优化模型，理论分析表明，布局优化后的归一化旁瓣峰值比布局随机化的归一化旁瓣峰值低l

2、nN／N(．N为天线数)。最后基于梯度优化算法给出具体的优化流程并进行了仿真，仿真结果表明，在给出的优化边界条件下，优化后的合成波束方向图旁瓣峰值降到约一10dB，与理论分析结果基本一致。关键词：深空；测控通信；大规模天线组阵；天线布局；梯度搜索中图分类号：V556：TN820．1文献标志码：A文章编号：1674—5620(2013)01一o007一04DOI：10．7642／i．issn．1674—5620．2013一01—0007一06DesignoftheLayoutofLargeScaleAntennaArr

3、aysforDeepSpaceCommunicationXUMaoge(SouthwestInstituteofElectronicTechnology，Chengdu610036)Abstract：Theobjective(minimizationofthemaximumside10beintheelementbeampattem)andoptimizingcondi—tions(includingnumberofantennas，antennadiameter，operationalfrequencyband，m

4、inimumdistanceandthemax—imumarea)aregivenforoptimizeddesignofthelayoutoflargescaleantennaarraysfordeepspacecommunication．Anoptimizationmodelisproposed．TheoreticalanalysisshowsthatthepeakvalueofanormallzedsidelobeafterIayoutoptimizationis10werthanthatofarandomiz

5、edlayoutbylnN／N(Nisthenumberofantennas)．Then，opti—mizationproceduresbasedongradientsearchalgorithmaregivenandsimulationisperformed．Thesimulationre—sultsshowthatthemaximumsidelobeisreducedtoabout一1OdBunderthesimulationconditions，andthisiscon—sistentwjththeoretic

6、alanalvsis．Keywords：deepspace；Tracking，TelemetryandCommand(TT&C)andcommunication；largescaleantennaa卜rays；iayoutofantennaarrays；gradientsearchO引言以大天线为基础建立起来的地面深空网面临2方面压力：1)在信号传输方面，随着探测距离越来越远、传输速率越来越高，地面站接收的信号越来越微弱，当天线口径加大至70m(目前美国NASA(国家航空航空局)深空测控最大口径天线)时，将面临天线重

7、力下垂、风负荷加大、热变形、天线面加工精度、天线测试方法等一系列问题；2)在系统的可用性、维护的灵活性以及成本上都有所欠缺，特别是当一个大天线由于维修或维护而不能提供服务时，将极大地降低系统的能力。对地基深空站而言，一种必然的技术途径就是通过地面大量小天线组阵来获得更高的增益。NASA下一代的深空网建设计划布设数百个天线的天线阵，支持大于40Mbit／s的高速数据传输[1。2]。目前，在下行组阵方面，国内小规模(数个)天线组阵技术相对已经比较成熟，对组阵的系统设计已经有了较深入的理解。小规模天线组阵与大规模天线组阵的

8、差异体现在天线个数上，由此带来2个直接的问题：1)对组阵布局的要求。小规模组阵中，天线个数过少使得瞬时合成波束带有较高的旁瓣，而*收稿日期；2012一09—10；修回日期：20121031第一作者简介：徐茂格(1982一)，男，博士，高级工程师，主要从事航天测控系统研究工作；E—mail：xumaoge@163．com飞行器测控学报第32卷且不