KuKa波段衛(wèi)星轉發(fā)器

1、波段衛(wèi)星轉發(fā)器ku,ka李靜(電子工業(yè)部第十三研究所, 石家莊050051)摘要本文介紹了轉發(fā)器的結構特點及 k u , k a 波段衛(wèi)星轉發(fā)器的現(xiàn)狀。關鍵詞轉發(fā)器衛(wèi)星k u , k a 波段ku an d ka ban d s sa te ll ite tran spon derl i j in g(t h e 13 th i nstitu te, m in istry of e i , s h ij iaz h u ang 050051)a bstra c t t h is p ap e r in t ro du ce s th e st ru c tu ra l ch a rac te

2、r ist ic s o f th e t ran spo n de r an d th esta tu s o f th e k u an d k a b an d s sa te llite t ran spo n de r.keyword s t ran spo n de rsa te llitek u an d k a b an d s就是在多波束通信中對信號進行星上切換和處理1 。早期通信衛(wèi)星 k a 波段轉發(fā)器多屬于“透 明”轉發(fā)器, 采用單波束天線技術, 如日本 1983 年發(fā)射的 c s22 衛(wèi)星, 通信功率分散, 實現(xiàn)的等 效全向輻射功率 (e ir p ) 值低。采用多波束

3、技引言1轉發(fā)器是通信衛(wèi)星中直接起中繼站作用的部分。 對轉發(fā)器的基本要求是: 以最小的附加 噪聲和失真, 并以足夠的工作頻段和輸出功率 來為各地球站有效而可靠地轉發(fā)無線電信號。 依據(jù)是否對轉發(fā)信號進行處理, 可將轉發(fā)器分 為 “透明”轉發(fā)器和“處理”轉發(fā)器兩大類。 “透明”轉發(fā)器收到地面發(fā)來的信號, 除進行低術, 可以增加天線增益,提高 e ir p 值,實現(xiàn)空間隔離的頻率復用。k a 頻段的頻率較高, 可以實現(xiàn)很窄的波束, 具有優(yōu)于 c 波段和 k u 波段 的特性, 對于實現(xiàn)地面站的小型化和經(jīng)濟化具有重要意義。 采用多波束技術已成為 k a 頻段 通信衛(wèi)星發(fā)展的重要方向。多波束通信要求轉發(fā)器

4、建立星上切換網(wǎng)絡 實現(xiàn)不同波束間的互連, 因而轉發(fā)器屬于“處 理”轉發(fā)。切換網(wǎng)絡規(guī)模由天線波束數(shù)目而定。 多波束通信和星上切換網(wǎng)絡的原理見圖 1。設計轉發(fā)器必須選擇通信信道 (通常一路噪聲放大、變頻(k a 波段為 3020gh z)及功率放大外不作任何加工處理, 只單純完成轉發(fā)任務, 它對工作頻帶內(nèi)的任何信號都是 “透 明”的通路, “透明”轉發(fā)器也可稱為彎管型轉 發(fā)器; “處理”轉發(fā)器除了進行轉發(fā)信號外, 還 具有信號處理功能。 星上的信號處理, 主要包括對信號進行解調(diào)再生和其它的信號變換和處理,如上行 fdm a 變?yōu)橄滦?tdm a信號, 再信道, 可分為接收端和發(fā)射端兩大部分。 在具

5、有信號處理能力的轉發(fā)器中, 還具有處于接收 端和發(fā)射端之間的信號處理裝置。 轉發(fā)器的關鍵部件包括接收機、 功率放大器、 信道間的分 路器和合路器等。 轉發(fā)器部件設計要求具有很 長的工作壽命, 能適應在太空工作和火箭發(fā)射 時的環(huán)境條件, 具有盡可能輕的重量。低噪聲接收機由低噪聲前置放大器、 變頻器 (包括混頻器及本振) 和驅動放大器三部分 組成。 關鍵部件是其前端的低噪聲放大器, 其 主要性能目標是放大很低電平的寬帶信號而不 引入明顯的噪聲。 變頻器中通常需要通過適當 的濾波來抑制諧波并通過使發(fā)射機輸出與接收 機電路適當隔離來滿足雜波輸出的規(guī)范。 驅動 放大器提供足夠的增益, 多采用寬帶工作的微

6、 波集成電路實現(xiàn)。 功率放大器主要有兩種: 固圖 1 多波束通信原理框圖通信信道我們稱之為一個轉發(fā)器) 的數(shù)目, 確定每個信道的帶寬和信道與信道之間的隔離寬 度。 信道的個數(shù)越多, 通信的容量越大, 衛(wèi)星 的成本也就增大。 同時信道增加, 轉發(fā)器消耗 的功率也增加, 控制線路就更復雜。 信道數(shù)目 的選擇, 要針對用戶需求, 并在技術和經(jīng)濟效益之間綜合選擇。 轉發(fā)器的變頻體制按其變頻次數(shù)可分為一次變頻和二次變頻兩種方案。 一次變頻是指直 接將上行信號頻率轉換為下行信號頻率的變頻 方式; 二次變頻是指首先將上行信號頻率轉換為頻率較低的中頻, 在中頻進行放大和作其它 處理以后, 再轉換為頻率較高的下

7、行頻率。 兩 種變頻體制各有優(yōu)缺點, 一次變頻體制直接進 行頻率轉換, 可以減少電路環(huán)節(jié), 降低轉發(fā)器 的體積和重量, 但是在工作頻率很高時, 對元器件的要求也很高, 而且線路技術復雜, 電路 實現(xiàn)困難; 二次變頻體制降低了信號頻率, 線 路容易實現(xiàn), 但是變頻器的體積和重量比較大, 由于衛(wèi)星載荷有限, 限制了轉發(fā)器信道數(shù)目的 增加。 兩種變頻體制方案的原理框圖如圖 2 所示。通信衛(wèi)星轉發(fā)器具有多個大容量離散通信體 功 率 放 大 器( sspa )和 行 波 管 放 大 器( tw ta )。 過 去 星 上 微 波 功 率 發(fā) 射 器 多 用tw ta 。從 80 年代開始, sspa 開

8、始在低頻低 功率的應用中取代 tw ta , 從此開始了激烈的競爭。sspa 的可靠性高、工作電壓低、噪聲系 數(shù)低、 重量輕、 抗輻照能力強、 對衛(wèi)星有效載荷小型化十分有利。 所以在功率不太大的情況下, sspa 可取代 tw ta , 在高頻高功率下, 目 前仍使用 tw ta , 隨著技術的不斷發(fā)展, 在更 高 的 頻 率 更 高 的 功 率 下, sspa 將 取 代 tw ta 。分路器和合路器又稱為輸入多工器和 輸出多工器。 分路器把寬帶信號分離成若干窄圖 2 變頻體制原理框圖(a)一次變頻(b )二次變頻帶信號, 逐個進行功率放大, 實現(xiàn)通道化。 合路器將經(jīng)功率放大器放大的各路信號

9、進行匯集 再送到天線分系統(tǒng)。 固態(tài)放大器以前已詳細介紹過, 就不再贅述了。 這里側重于轉發(fā)器系統(tǒng) 和接收機部分。212 mm ic 接收機 3 m m ic 技術可減少轉發(fā)器的尺寸和重量, 增加可靠性, 特別是在 k 波段領域, 具有寄生 電 抗 小、 器 件 性 能 一 致 性 的 優(yōu) 勢。m it 2su b ish i 已開發(fā)出 k u 波段m m ic 接收機, 并經(jīng)過了空間驗證。由于采用了m m ic 技術,其2 k u 波段重量只有普通接收機的一半。 表 1 為此接收機的性能。211intel sa t- k 衛(wèi)星轉發(fā)器 2 in t el sa t 與 gen e ra l e

10、lec t r ic t ech n ica l表 1ku 波段mm ic 接收機的性能摘要se rv ice s co rp 合作的 in t el sa t 2k 衛(wèi)星是全k 波段星, 上面有 16 個 k u 波段 60w 轉發(fā)器,8 個下行轉發(fā)器面向歐洲, 8 個下行轉發(fā)器面向 美洲。轉發(fā)器的前端有四個冷卻低噪聲放大器,使用了 p e lt ie r 冷卻劑, 使 f e t 溫度達- 50,降低了噪聲溫度 015db , 可提供小于 211db 的 噪聲系數(shù)。轉發(fā)器的輸出有兩個放大網(wǎng)絡, 每個放大網(wǎng)絡有 11 個 tw ta , 其中 3 個是備用的?？商?代任一無效的放大器。 一側

11、面板放大器有 5 個頻率限幅放大器,每個 tw ta都有一個驅動限制放大器 (dl a ) , 用來驅動 tw ta , 可使 tw ta的上行飽和值達- 25db。dl a 可提供 32db 動接收機由溫度補償晶體振蕩器 (t cxo ) ,d c d c 轉換器和 4 個m m ic 模塊組成。 這 4 個m m ic 模塊包括l n a 模塊、m ix 模塊、ifa 模塊和l o 模塊。 圖 3 為它的框圖。l n a 模塊可放大 14gh z 的輸入信號, 增 益 35db。 這個模塊也是由 4 個m m ic 芯片組態(tài)范圍以調(diào)整增益,其增益 4215db ,帶有兩個指令衰減器, 磁通

12、量控制衰減器(fca )和增益控制衰減器 (gca )。fca 衰減器衰減輸入信號, gca 衰減輸出信號。dl a 與過壓保護電路一起可避免 tw ta 的過壓,也提供溫度補償。成, 每個芯片都用了自對準多層柵( sam )另一側面板因輸出頻率跨度大, 沒有限幅器。f e t , 以得到低噪聲性能。sam f e t 單片放大項目性能輸入 輸出噪聲系數(shù) 增益 頻率穩(wěn)定度 寄生輸出輸入輸出v sw r 功率損耗 尺寸重量1410 1415gh z12125 12175gh z210db 最大46db1ppm 最大 ( - 10 40)d u 50db1112 最大317w 最大80mm 80m

13、m 65mm550 克 最大器的噪聲性能與 h em t 單片放大器的相當。m ix 模 塊 把 14gh z 的 輸 入 信 號 變 成12gh z 信 號, 此 模 塊 由 兩 個 帶 通 濾 波 器(b p f ) 和一個混頻器芯片組成。平衡的偶次諧 波混頻器有兩個逆平行二極管對, 可抑制帶內(nèi)寄生信號。ifa 模塊放大下變頻 12gh z 波段的信號。 在此用了一個有兩個雙柵 f e t 的可變增益放 大器芯片來補償溫度增益的變化。l o 模塊用鎖相環(huán)可產(chǎn)生 900m h z 低噪聲 本振源。本振源包括了有共柵結構 m e sf e t 的m m ic 壓控振蕩器 (v co ) , 它

14、采用一種絕緣諧 振電路以得到絕緣穩(wěn)定的v co (dv co )。緩沖放大器可提供與后面負載更好的隔離, 也可為混頻器提供合適的功率?？傊? m m ic 技術將在衛(wèi)星轉發(fā)器的前端 接收機中起到重要作用, 它與 ph em t 和hb t 技術相結合, 可得到更優(yōu)秀的接收機設計方法。k a 波段k a 波段的發(fā)展很不平衡, 美、日發(fā)展較快。 進入 90 年代以后, 隨著 k a 波段技術以及元器 件制造工藝等基礎技術的明顯進步, k a 波段通 信衛(wèi)星的發(fā)展展現(xiàn)出廣闊的前景。 歐空局、 意 大利都已發(fā)射了實用性通信衛(wèi)星。k a 波段衛(wèi)星通信的上行頻率為 27153另 外,com sa t w

15、o r ld sy stem s 利 用m m ic 技術也開發(fā)了 k u 波段接收機4構見圖 4。, 其結31gh z, 下行頻率為 1717 2112gh z,屬于亞毫米波頻段。 采用 k a 波段進行衛(wèi)星通信具有許多優(yōu)越性, 但由于頻率很高, 線路技術復雜,對元器件制造工藝水平要求很高, 一次性成本 較大, 因而研制技術尚需完善。k a 波段頻率還 應滿足很高的電磁兼容要求。 星上電磁兼容設計是很復雜的問題, 要全面分析系統(tǒng)電磁環(huán)境,采取各種措施,確保系統(tǒng)實現(xiàn)電磁兼容。k a 波圖 4 ku 波段m m ic 接收機它包括 14 1415gh z 的 l n a 、 144gh z段通信

16、衛(wèi)星上、 下行信號頻帶帶寬一般為 1116gh z, 但 接 收 機 帶 寬 只 可 達 到 500900m h z, 不能在這樣寬的頻帶上有效工作, 故 轉發(fā)器通常采用兩臺接收機來接收信號。 多波束通信中, 每路波束都有一臺接收機。另外, k a 頻段信號傳播雨致衰減現(xiàn)象比較 嚴重, 設計衛(wèi)星通信系統(tǒng)時還必須考慮雨致衰 減的影響。 雨致衰減是造成 k a 頻段衛(wèi)星通信 傳輸質量下降的最嚴重的對流層傳播效應。 目前在線路設計時, 考慮到大雨或暴雨造成的衰 減和去極化影響, 通常在晴天計算的基礎上留 下一定的余量, 以保證在惡劣天氣的情況下能 滿足通信質量要求, 這個余量叫作降雨余量。由 于大暴

17、雨往往是在一定地區(qū)出現(xiàn), 大雨槽一般 只有 2 6km , 因此用路由分集可以繞過大雨 區(qū), 從而提高傳播的可靠性。m e sf e t 的 平 衡 混 頻 器、m e sf e t本 振(l o )源、帶通濾波器和一個m e sf e t 的 317 412gh z 的 if 放大器。除了帶通濾波器, 其它的都制作在 90m 厚的 gaa s 基片上。l n a 由 gaa s 芯片上的兩級m e sf e t 構 成。 兩個級聯(lián)的雙級m m ic 在 14125gh z 的500m h z 帶寬內(nèi)的噪聲系數(shù)為 216db , 增益32db , 若采用 ph em t 技術,前正在研制中。性

18、能會更好, 目144gh z m e sf e t 的混頻器以平衡結構采用了兩個m e sf e t , 可提供l o r f 和l o if 端口較好的隔離,這種結構也可抑制高階寄生信號和互調(diào)雜波, 它比有源模式下的 f e t 混頻器能提供更高的線性、更低的 im p 和更高的 輸出功率。311美國 acts 衛(wèi)星 ka 波段轉發(fā)器 5 分 由三級 h em t 構成, 將 30gh z 下變頻到美國宇航局 n a sa開發(fā)的先進通信技術3gh z; 中頻部分接收 3gh z 中頻信號,產(chǎn)生 3衛(wèi)星 a c t s 于 1992 年夏季發(fā)射。a c t s 衛(wèi)星k a 波段通信系統(tǒng)用多個點

19、波束天線對地面站 提供高性能、 可控的服務, 使用先進的星上信號處理裝置和波束間轉接裝置 (星上收發(fā)轉接開關) , 采用降低 k a 波段衛(wèi)星通信中雨致衰減 的技術, 可提供直接v sa t (甚小型天線地球 站) 和v sa t 通信。a c t s 衛(wèi)星 k a 波段多波束 通信原理框圖見圖 5。a c t s 衛(wèi)星上有 4 臺 46w 的處理轉發(fā)器。 轉發(fā)器包括接收機、 基帶處理器、 轉換矩陣和功率發(fā)射機。 其性能參數(shù)列于表 2。 基帶處理機和微波開關矩陣在轉發(fā)器中屬并列關系, 同時工作。 基帶處理機連接兩個跳 躍波束, 對接收到的信號進行解調(diào)后, 再根據(jù) 指令解碼, 通過中央處理器的開

20、關矩陣和存儲 器進行路由交換。 然后在通過輸出部分重新編 碼并調(diào)制。20gh z 大功率發(fā)射機有 3 臺工作、 1 臺備 份, 主要由上變頻器和大功率放大器組成。 上變頻器接收來自基帶處理機或微波開關矩陣的中頻 (3 4gh z) 信號, 通過高增益限幅放大后 送往上變頻混頻 器, 該 混 頻 器 輸 出 19122012gh z 信號到 tw ta , 并保證 tw ta 在飽 和狀態(tài)工作。 大功率放大器用 tw ta 在 1912個輸出信號, 線性放大后的信號送入基帶處理機, 高增益限幅信號送往微波開關矩陣, 自動 跟蹤信號下變頻到 75m h z 后送到自動跟蹤接 收機。表 2acts

21、ka 頻段通信有效載荷特性參數(shù) 2012gh z 頻帶提供 46w輸出。轉發(fā)器共有 4 臺低噪聲接收機, 其中 3 臺工作 1 臺備份。l n r 可分為下變頻部分和中頻 部分, 它們均由微波集成電路組成。 下變頻部參數(shù)多波束天線 形式數(shù)量 直徑 增益偏饋卡塞格倫2 副313212m ( 下上)5246db i ( 固定跳變)可控波束天線 形式數(shù)量直徑 增益偏饋拋物面2 副111m4244db i ( 下上)低噪聲接收機 頻率噪聲系數(shù)增益2910 3010gh z315db55db基帶處理機 輸入速率tdm a 幀長 總容量11055m bp s ( 串行、每波束)1m s220m bp s微波開關矩陣 容量頻帶開關時間33310 410gh z 98db , 噪聲系數(shù) 18db , 接收信號為 30gh z, if 輸出為 1gh z,帶寬 200