微波工程基礎(chǔ)甘仲民

1、12006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)2 1. 1. 前言前言 2. 2. 微波傳播微波傳播 3. 3. 微波天線微波天線 4. 4. 微波收、發(fā)信機(jī)技術(shù)微波收、發(fā)信機(jī)技術(shù) 5. 5. 小結(jié)小結(jié) 2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)34電（通）信：利用有線電、無(wú)線電、光學(xué)或其他電（通）信：利用有線電、無(wú)線電、光學(xué)或其他電磁系統(tǒng)的，對(duì)于符號(hào)、信號(hào)、文字、影象、聲電磁系統(tǒng)的，對(duì)于符號(hào)、信號(hào)、文字、影象、聲音或任何性質(zhì)的信息傳輸，發(fā)射或接收。音或任何性質(zhì)的信息傳輸，發(fā)射或接收。4由于基帶（話音、圖象、數(shù)據(jù)等）信號(hào)的頻譜全由于基帶（話音、圖象、數(shù)據(jù)等）信號(hào)的頻譜全都延伸到很低的頻率范圍

2、，根據(jù)電波傳播理論，都延伸到很低的頻率范圍，根據(jù)電波傳播理論，無(wú)線電通信只能在高頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。無(wú)線電通信只能在高頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。4在無(wú)線電通信中，通過(guò)調(diào)制，在無(wú)線電通信中，通過(guò)調(diào)制，將基帶信號(hào)將基帶信號(hào)“寄托寄托”在某一高（射）頻上，形成射頻信號(hào)，以電磁在某一高（射）頻上，形成射頻信號(hào)，以電磁波形式向空間輻射傳播。波形式向空間輻射傳播。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)41.1 1.1 衛(wèi)星通信中微波的地位與作用衛(wèi)星通信中微波的地位與作用 衛(wèi)星通信是一種無(wú)線電通信。無(wú)線電通信是通過(guò)衛(wèi)星通信是一種無(wú)線電通信。無(wú)線電通信是通過(guò)空間電磁波傳遞信息的通信方式?？臻g電磁波傳遞信息的通信方式。 按

3、波長(zhǎng)劃分，無(wú)線電波分為長(zhǎng)波、短波、超短按波長(zhǎng)劃分，無(wú)線電波分為長(zhǎng)波、短波、超短波、微波波、微波等。等。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)5圖1.3100002006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)6微波微波：波長(zhǎng)：波長(zhǎng)1 1m m 1mm 1mm；頻率頻率300300MHz MHz 300GHz 300GHz特點(diǎn)特點(diǎn)：4類(lèi)似光的特性（波長(zhǎng)越短，越接近直線傳播）；類(lèi)似光的特性（波長(zhǎng)越短，越接近直線傳播）；4穿越電離層的透射特性（穿越電離層的透射特性（1 101 10GHzGHz為最佳的為最佳的“無(wú)無(wú)線電窗口線電窗口”）；）；4寬頻帶；寬頻帶；4“天然的天然的”抗低頻干擾特性（不受自

4、然界如雷電抗低頻干擾特性（不受自然界如雷電、人為如家電的干擾）。、人為如家電的干擾）。 結(jié)論：微波是最適合于衛(wèi)星通信的無(wú)線電波結(jié)論：微波是最適合于衛(wèi)星通信的無(wú)線電波2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)74UHFUHF（1000MHz)1000MHz)4L L波段波段(1.5 1.6(1.5 1.6GHz)GHz)4S S波段波段(2.5 2.6(2.5 2.6GHz)GHz)4C C波段波段(4/6(4/6GHz,GHz,帶寬帶寬800800M Hz)M Hz)4K KU U波段波段(11/14,12/14(11/14,12/14GHz,GHz,帶寬帶寬800800M Hz)M Hz)

5、4K Ka a波段波段(20/30(20/30GHz)GHz)4Ka/Ka/毫米波毫米波(20/40(20/40GHz,50/60GHz)GHz,50/60GHz)2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)84輻射和輻射和/ /或接收電磁波的裝置（天線）；或接收電磁波的裝置（天線）；4傳送（導(dǎo)行）電磁波的裝置（波導(dǎo)、同軸線等傳傳送（導(dǎo)行）電磁波的裝置（波導(dǎo)、同軸線等傳輸線）；輸線）；4產(chǎn)生微波信號(hào)并進(jìn)行調(diào)制（解調(diào)）、頻率變換、產(chǎn)生微波信號(hào)并進(jìn)行調(diào)制（解調(diào)）、頻率變換、放大等處理的微波收、發(fā)設(shè)備；放大等處理的微波收、發(fā)設(shè)備；4微波測(cè)量設(shè)備（微波信號(hào)源、頻譜儀、功率計(jì)、微波測(cè)量設(shè)備（微波信號(hào)源、

6、頻譜儀、功率計(jì)、微波網(wǎng)絡(luò)分析儀等）；微波網(wǎng)絡(luò)分析儀等）；4基礎(chǔ)：微波有、無(wú)源元器件、微波集成電路基礎(chǔ)：微波有、無(wú)源元器件、微波集成電路2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)92006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)102006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)112.12.1微波的自由空間傳播微波的自由空間傳播 電磁波從波源出發(fā)，在自由空間向四周傳播。在電磁波從波源出發(fā)，在自由空間向四周傳播。在某一時(shí)刻，將其到達(dá)的各點(diǎn)連成的面稱(chēng)波前或波某一時(shí)刻，將其到達(dá)的各點(diǎn)連成的面稱(chēng)波前或波陣面；相位相同的點(diǎn)連成的面，稱(chēng)同相面或波面陣面；相位相同的點(diǎn)連成的面，稱(chēng)同相面或波面。波陣面為平面的波稱(chēng)為

7、平面波；波陣面為球面。波陣面為平面的波稱(chēng)為平面波；波陣面為球面的波稱(chēng)為球面波。的波稱(chēng)為球面波。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)122006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)13源點(diǎn)的發(fā)射功率為源點(diǎn)的發(fā)射功率為PT，在距在距R處，該功率將處，該功率將均勻分布在半徑為均勻分布在半徑為R的球面上。接收天線面的球面上。接收天線面積為積為AR時(shí)，只收集到其中很小一部分功率。時(shí)，只收集到其中很小一部分功率。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)14電離層電離層雨云雨云大氣大氣太陽(yáng)太陽(yáng)噪聲噪聲噪聲噪聲2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)152.2.1 2.2.1 大氣的影響大氣的

8、影響 微波通過(guò)大氣層時(shí)，其能量將有部分被大氣層中微波通過(guò)大氣層時(shí)，其能量將有部分被大氣層中的氧和水蒸汽所吸收，引起微波的衰減。的氧和水蒸汽所吸收，引起微波的衰減。圖1.5 大氣引起的大氣吸收衰減2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)164結(jié)論：在結(jié)論：在1010GHzGHz以下，大氣引起的傳播衰減可以忽以下，大氣引起的傳播衰減可以忽略。略。2.2.2 2.2.2 降雨的影響降雨的影響微波通過(guò)雨區(qū)時(shí)，其能微波通過(guò)雨區(qū)時(shí)，其能量被雨滴吸收而衰減。量被雨滴吸收而衰減。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)172006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)182006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通

9、信工程師培訓(xùn)194降雨損耗（衰減）與降雨強(qiáng)度有關(guān)，降雨強(qiáng)度越大，降雨降雨損耗（衰減）與降雨強(qiáng)度有關(guān)，降雨強(qiáng)度越大，降雨損耗（衰減）越大；損耗（衰減）越大；4降雨損耗（衰減）與微波信號(hào)通過(guò)的雨區(qū)有效長(zhǎng)度有關(guān)。降雨損耗（衰減）與微波信號(hào)通過(guò)的雨區(qū)有效長(zhǎng)度有關(guān)。降雨區(qū)域大小一定時(shí)，地球站的仰角越低，降雨損耗（衰降雨區(qū)域大小一定時(shí)，地球站的仰角越低，降雨損耗（衰減）越大；減）越大；4對(duì)于相同的降雨強(qiáng)度和地球站的仰角，工作頻率越高，降對(duì)于相同的降雨強(qiáng)度和地球站的仰角，工作頻率越高，降雨損耗（衰減）越大；雨損耗（衰減）越大；4不同地區(qū)，強(qiáng)的降雨強(qiáng)度出現(xiàn)的概率不同，通常用年均和不同地區(qū)，強(qiáng)的降雨強(qiáng)度出現(xiàn)的概

10、率不同，通常用年均和最壞月份出現(xiàn)的概率表示；最壞月份出現(xiàn)的概率表示；4克服雨衰影響的措施通常是增加發(fā)射功率（降雨備余量）克服雨衰影響的措施通常是增加發(fā)射功率（降雨備余量），要求通信的可用度越高，所需降雨備余量越大。，要求通信的可用度越高，所需降雨備余量越大。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)20 太陽(yáng)、星球和宇宙中的各種粒子，都是客觀存在太陽(yáng)、星球和宇宙中的各種粒子，都是客觀存在的噪聲源，它們所產(chǎn)生的微波頻段的噪聲，會(huì)對(duì)的噪聲源，它們所產(chǎn)生的微波頻段的噪聲，會(huì)對(duì)衛(wèi)星通信信號(hào)造成干擾。衛(wèi)星通信信號(hào)造成干擾。此外，大氣層中的氧此外，大氣層中的氧和水蒸汽也會(huì)對(duì)各種和水蒸汽也會(huì)對(duì)各種微波能量

11、產(chǎn)生吸收衰微波能量產(chǎn)生吸收衰減和散射，從而產(chǎn)生減和散射，從而產(chǎn)生噪聲。噪聲。各種噪聲影響用噪聲各種噪聲影響用噪聲溫度表示。溫度表示。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)21銀河系噪聲區(qū)低噪聲區(qū)對(duì)流層噪聲區(qū)氧共振 60GHz水蒸氣共振22.2GHz天線噪聲溫度，K圖12.2 一個(gè)理想地面天線的不可再簡(jiǎn)化的噪聲溫度。假設(shè)天線具有非常窄的波束，沒(méi)有旁瓣或電氣損耗。在1GHz以下頻段，最大值是指波束指向銀河極的情況。在較高的頻段，最大值是指波束指向剛剛高于地平線的方向，而最小值是指波束指向天頂。110GHz頻段的低噪聲區(qū)是最適用于特殊的低噪聲天線。（摘自 Philip F. Panter, “

12、Communications Systems Design,” McGraw-HillBook Company, New York, 1972. 獲得許可。）2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)22(2)(2)降雨噪聲降雨噪聲：雨滴對(duì)微波信號(hào)產(chǎn)生吸收和散射，從：雨滴對(duì)微波信號(hào)產(chǎn)生吸收和散射，從而形成噪聲。所產(chǎn)生的而形成噪聲。所產(chǎn)生的 噪聲溫度與微波通過(guò)的噪聲溫度與微波通過(guò)的 雨區(qū)長(zhǎng)度有關(guān)，也即與雨區(qū)長(zhǎng)度有關(guān)，也即與 地球站仰角有關(guān)。地球站仰角有關(guān)。 云、霧等也有類(lèi)似的效云、霧等也有類(lèi)似的效 應(yīng)。應(yīng)。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)234降雨噪聲與降雨強(qiáng)度有關(guān)，降雨強(qiáng)度越大，

13、降雨噪聲越大降雨噪聲與降雨強(qiáng)度有關(guān)，降雨強(qiáng)度越大，降雨噪聲越大；4降雨噪聲與微波信號(hào)通過(guò)的雨區(qū)有效長(zhǎng)度有關(guān)。降雨區(qū)域降雨噪聲與微波信號(hào)通過(guò)的雨區(qū)有效長(zhǎng)度有關(guān)。降雨區(qū)域大小一定時(shí)，地球站的仰角越低，降雨噪聲越大；宇宙和大小一定時(shí)，地球站的仰角越低，降雨噪聲越大；宇宙和大氣噪聲與地球站仰角也有類(lèi)似的關(guān)系；大氣噪聲與地球站仰角也有類(lèi)似的關(guān)系；4對(duì)于相同的降雨強(qiáng)度和地球站的仰角，工作頻率越高，宇對(duì)于相同的降雨強(qiáng)度和地球站的仰角，工作頻率越高，宇宙大氣及降雨噪聲越大；宙大氣及降雨噪聲越大；2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)244引起衰減引起衰減4增加增加下行鏈路下行鏈路系統(tǒng)噪聲溫度系統(tǒng)噪聲溫度

14、4引起電波極化改變引起電波極化改變2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)25電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是隨時(shí)間變化的函數(shù)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是隨時(shí)間變化的函數(shù)，電磁波在傳播電磁波在傳播過(guò)程中，其電場(chǎng)矢量末端軌跡曲線形狀決定電磁過(guò)程中，其電場(chǎng)矢量末端軌跡曲線形狀決定電磁波的波的極化極化方式。方式。線極化線極化電磁波的電場(chǎng)矢量末端軌跡曲線是一直電磁波的電場(chǎng)矢量末端軌跡曲線是一直線。線。垂直極化：垂直極化：電場(chǎng)方向與地球表面垂直；電場(chǎng)方向與地球表面垂直；水平水平極化：極化：電場(chǎng)方向與地球表面平行。電場(chǎng)方向與地球表面平行。 2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)26（IEEE）定義定義右旋圓右旋圓（RHC）極

15、化極化為：當(dāng)為：當(dāng)沿著電波傳播方向看去，沿著電波傳播方向看去，即從即從“后面后面”看去，電場(chǎng)看去，電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針的；左左旋圓旋圓（LHC）極化極化：當(dāng)沿著電波傳播方向看去，當(dāng)沿著電波傳播方向看去，電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向是逆時(shí)針的，電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向是逆時(shí)針的，LHC和和RHC極化是正交的，極化是正交的，電波傳播的方向是沿著電波傳播的方向是沿著 z軸。軸。 IEEE 定義視角 IEEE 定義視角 經(jīng)典光學(xué)視角 經(jīng)典光學(xué)視角 2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)27左旋圓極化波的左旋圓極化波的電場(chǎng)矢量隨時(shí)間電場(chǎng)矢量隨時(shí)間沿傳播方向的變沿傳播方向的變化化2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星

16、通信工程師培訓(xùn)284降雨時(shí)雨滴呈橢球形，風(fēng)和其他動(dòng)態(tài)應(yīng)力，引起降雨時(shí)雨滴呈橢球形，風(fēng)和其他動(dòng)態(tài)應(yīng)力，引起雨滴以某些隨機(jī)分布的角度旋轉(zhuǎn)，結(jié)果，通過(guò)雨雨滴以某些隨機(jī)分布的角度旋轉(zhuǎn)，結(jié)果，通過(guò)雨層時(shí)不同極化的電波引起的極化旋轉(zhuǎn)角度不同；層時(shí)不同極化的電波引起的極化旋轉(zhuǎn)角度不同；4后果之一：電波后果之一：電波( (信號(hào)信號(hào)) )因極化偏轉(zhuǎn)，與接收天線因極化偏轉(zhuǎn)，與接收天線在晴空下的極化面失配而受損；在晴空下的極化面失配而受損；4后果之二：不同后果之二：不同( (正交正交) )極化的其他信號(hào)的一部分極化的其他信號(hào)的一部分分量進(jìn)入接收天線而成為干擾噪聲。分量進(jìn)入接收天線而成為干擾噪聲。2006衛(wèi)星通信工程

17、師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)293.1 3.1 面天線的工作原理面天線的工作原理 為充分而有效地利用微波信號(hào)功率，即將其為充分而有效地利用微波信號(hào)功率，即將其發(fā)送給位于某一方向上的接收者，天線應(yīng)做成定發(fā)送給位于某一方向上的接收者，天線應(yīng)做成定向發(fā)射和接收的。向發(fā)射和接收的。 為獲得定向輻射，在較高的微波頻率（如高為獲得定向輻射，在較高的微波頻率（如高于于4 4GHzGHz），），一般采用面天線結(jié)構(gòu)。因波長(zhǎng)甚短，一般采用面天線結(jié)構(gòu)。因波長(zhǎng)甚短，具有類(lèi)似于光波特性，可用幾何光學(xué)原理來(lái)說(shuō)明具有類(lèi)似于光波特性，可用幾何光學(xué)原理來(lái)說(shuō)明微波天線的工作原理。微波天線的工作原理。 2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通

18、信工程師培訓(xùn)30 借鑒探照燈原理：利用拋物面反射鏡焦點(diǎn)上的光源發(fā)借鑒探照燈原理：利用拋物面反射鏡焦點(diǎn)上的光源發(fā)出的光線經(jīng)鏡面反射后集中射向遠(yuǎn)方。據(jù)此，在微波技術(shù)出的光線經(jīng)鏡面反射后集中射向遠(yuǎn)方。據(jù)此，在微波技術(shù)中，可用金屬拋物面來(lái)形成強(qiáng)的定向輻射。中，可用金屬拋物面來(lái)形成強(qiáng)的定向輻射。 借鑒光學(xué)中的透鏡原理，在微波領(lǐng)域，也可利用介質(zhì)借鑒光學(xué)中的透鏡原理，在微波領(lǐng)域，也可利用介質(zhì)制作成透鏡天線（雙面透鏡和球形透鏡）。制作成透鏡天線（雙面透鏡和球形透鏡）。 2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)31常用的有：常用的有：(1)(1)天線增益：天線在給定方向上每單位立體角內(nèi)輻射出的功天線增益：天

19、線在給定方向上每單位立體角內(nèi)輻射出的功率與輸入功率相同的各向同性天線在每單位立體角內(nèi)輻射率與輸入功率相同的各向同性天線在每單位立體角內(nèi)輻射功率之比。功率之比。 224DAGA為天線實(shí)際口面面積（D為口面直徑）；為天線效率；為工作波長(zhǎng)。(2)波瓣寬度：從輻射峰值點(diǎn)向軸兩側(cè)下降波瓣寬度：從輻射峰值點(diǎn)向軸兩側(cè)下降3dB 點(diǎn)的角寬度點(diǎn)的角寬度GGlog10(dB)2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)32)(7021度D2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)334(3)旁瓣特性：天線方向圖主瓣以外的瓣為旁瓣。旁瓣特性：天線方向圖主瓣以外的瓣為旁瓣。旁瓣應(yīng)抑制到盡可能低的水平（低旁瓣電平）。

20、旁瓣應(yīng)抑制到盡可能低的水平（低旁瓣電平）。(4)天線噪聲：由空間地面進(jìn)入天線及天線自身天線噪聲：由空間地面進(jìn)入天線及天線自身所產(chǎn)生的噪聲。所產(chǎn)生的噪聲。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)34d2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)35結(jié)構(gòu)：橫截面可為圓形或矩形，有的內(nèi)部為結(jié)構(gòu)：橫截面可為圓形或矩形，有的內(nèi)部為波紋結(jié)構(gòu)。從波導(dǎo)到開(kāi)口面橫截面尺寸逐漸波紋結(jié)構(gòu)。從波導(dǎo)到開(kāi)口面橫截面尺寸逐漸變大。口面越大，方向性越強(qiáng)。變大?？诿嬖酱螅较蛐栽綇?qiáng)。可參照聲學(xué)喇叭理解其工作原理?？蓞⒄章晫W(xué)喇叭理解其工作原理。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)36 拋物面天線拋物面天線拋物面天線是

21、指帶有旋轉(zhuǎn)拋物拋物面天線是指帶有旋轉(zhuǎn)拋物面作為反射面的微波天線。反面作為反射面的微波天線。反射面由金屬板或金屬網(wǎng)制成。射面由金屬板或金屬網(wǎng)制成。初級(jí)輻射器放在拋物面的焦點(diǎn)初級(jí)輻射器放在拋物面的焦點(diǎn)上。由此輻射的射線到達(dá)拋物上。由此輻射的射線到達(dá)拋物面后經(jīng)反射形成平行射線，即面后經(jīng)反射形成平行射線，即定向輻射。定向輻射。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)372006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)382006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)392006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)40由主、副反射面和饋源喇由主、副反射面和饋源喇叭構(gòu)成，通過(guò)二次反射輻叭構(gòu)成，通過(guò)二次反射輻

22、射或接收電磁波。射或接收電磁波。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)412006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)422006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)434作用：收發(fā)共用一部天線作用：收發(fā)共用一部天線4基本組成：基本組成：4收、發(fā)信號(hào)之間的分隔：收、發(fā)信號(hào)之間的分隔：收、發(fā)極化波的正交性；收、發(fā)極化波的正交性；收、發(fā)頻段濾波器收、發(fā)頻段濾波器混合混合接頭接頭接收濾接收濾波器波器發(fā)射濾發(fā)射濾波器波器饋源喇叭饋源喇叭接收機(jī)接收機(jī)發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)44LNASSPA雙工器雙工器2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)45 利用同一主反射

23、面同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)不同指向波利用同一主反射面同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)不同指向波束的天線。一般是將一組饋源初級(jí)輻射器放置在束的天線。一般是將一組饋源初級(jí)輻射器放置在拋物面的焦點(diǎn)處，其中一個(gè)饋源精確地位于焦點(diǎn)拋物面的焦點(diǎn)處，其中一個(gè)饋源精確地位于焦點(diǎn)上，其余則是偏焦的，由此而得到不同指向的多上，其余則是偏焦的，由此而得到不同指向的多波束。波束。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)462006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)474這種天線是通過(guò)控制陣列天線輻射單元的饋電相這種天線是通過(guò)控制陣列天線輻射單元的饋電相位來(lái)實(shí)現(xiàn)位來(lái)實(shí)現(xiàn)波束在一定空域內(nèi)掃描波束在一定空域內(nèi)掃描，或形成，或形成多波束多波束，或?qū)崿F(xiàn)

24、，或?qū)崿F(xiàn)賦形覆蓋賦形覆蓋，或，或自適應(yīng)調(diào)零抗干擾自適應(yīng)調(diào)零抗干擾。輻射器輻射器可變移相器可變移相器波束形成波束形成網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)484由多個(gè)輻射器（陣元）組成的天線陣，其總的方由多個(gè)輻射器（陣元）組成的天線陣，其總的方向圖是由所有陣元的方向圖疊加而得。利用可變向圖是由所有陣元的方向圖疊加而得。利用可變移相器改變各陣元間輸入信號(hào)的相位，可改變天移相器改變各陣元間輸入信號(hào)的相位，可改變天線方向圖的主瓣指向。線方向圖的主瓣指向。(a)等幅同相激勵(lì)等幅同相激勵(lì)(b)等幅、各陣元相位依次滯等幅、各陣元相位依次滯后后90度激勵(lì)度激勵(lì)2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工

25、程師培訓(xùn)492006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)502006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)51全球覆蓋全球覆蓋（理論上為理論上為地球表面積的地球表面積的1/3）2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)522006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)53所謂賦形波束覆蓋，是所謂賦形波束覆蓋，是指衛(wèi)星天線系統(tǒng)通過(guò)波指衛(wèi)星天線系統(tǒng)通過(guò)波束形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生與地面束形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生與地面通信區(qū)域形狀相匹配的通信區(qū)域形狀相匹配的天線波束，即該波束在天線波束，即該波束在地球表面上的地球表面上的“足印足印”恰好重合覆蓋在一定表恰好重合覆蓋在一定表面形狀的通信區(qū)域上。面形狀的通信區(qū)域上。2006衛(wèi)星通

26、信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)542006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)55Spaceway的多波束覆蓋的多波束覆蓋2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)562006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)572006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)584采用不同射頻產(chǎn)生點(diǎn)波束所需天線口徑采用不同射頻產(chǎn)生點(diǎn)波束所需天線口徑 6GHz 14.25GHz 17.5GHz 30GHz3dB波束寬度為波束寬度為0.70( 覆 蓋 地 面 直 徑覆 蓋 地 面 直 徑476km) 5.0m 2.1m 1.7m 1.0m3dB波束寬度為波束寬度為0.50( 覆 蓋 地 面 直 徑覆 蓋 地 面

27、 直 徑340km) 7.0m 2.94m 2.4m 1.4m2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)592006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)604 4.1.1微波接收機(jī)微波接收機(jī)4.1.1 4.1.1 衛(wèi)星接收機(jī)衛(wèi)星接收機(jī)4作用：接收來(lái)自地球站發(fā)來(lái)的射頻信號(hào)，（作用：接收來(lái)自地球站發(fā)來(lái)的射頻信號(hào)，（經(jīng)變經(jīng)變頻或其他處理，然后再放大到足夠高的功率電平頻或其他處理，然后再放大到足夠高的功率電平，通過(guò)天線發(fā)回地面，通過(guò)天線發(fā)回地面）。4特點(diǎn)：特點(diǎn)： ( (a)a)低噪聲性能。來(lái)自地球的熱噪聲和接收機(jī)內(nèi)部低噪聲性能。來(lái)自地球的熱噪聲和接收機(jī)內(nèi)部的噪聲，是制約接收靈敏度的因素，當(dāng)衛(wèi)星接收天

28、的噪聲，是制約接收靈敏度的因素，當(dāng)衛(wèi)星接收天線尺寸一定時(shí)，應(yīng)盡可能減少接收機(jī)的內(nèi)部噪聲，線尺寸一定時(shí)，應(yīng)盡可能減少接收機(jī)的內(nèi)部噪聲，以保證接收系統(tǒng)具有足夠高的靈敏度。以保證接收系統(tǒng)具有足夠高的靈敏度。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)61 ( (b)b)高增益。從地球站發(fā)來(lái)的信號(hào)，經(jīng)約高增益。從地球站發(fā)來(lái)的信號(hào)，經(jīng)約4000040000公公里的傳輸?shù)竭_(dá)衛(wèi)星時(shí)，因巨大的自由空間傳播衰減里的傳輸?shù)竭_(dá)衛(wèi)星時(shí)，因巨大的自由空間傳播衰減和其他衰減，變得極其微弱，要放大到足夠高的電和其他衰減，變得極其微弱，要放大到足夠高的電平再轉(zhuǎn)發(fā)回地面，除收、發(fā)天線增益外，要求衛(wèi)星平再轉(zhuǎn)發(fā)回地面，除收、發(fā)天線

29、增益外，要求衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器具有很高的增益（如轉(zhuǎn)發(fā)器具有很高的增益（如100130100130dBdB或更高）。或更高）。 ( (c c）寬頻帶。早期的通信衛(wèi)星，所有轉(zhuǎn)發(fā)器接收寬頻帶。早期的通信衛(wèi)星，所有轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)前端是共用一部低噪聲放大器（機(jī)前端是共用一部低噪聲放大器（LNALNA），這要求，這要求LNALNA能覆蓋衛(wèi)星系統(tǒng)的上行帶寬能覆蓋衛(wèi)星系統(tǒng)的上行帶寬( (如如C C波段為波段為500500MHz);MHz);目前因星上轉(zhuǎn)發(fā)器一般數(shù)量較多目前因星上轉(zhuǎn)發(fā)器一般數(shù)量較多, ,故使用多套故使用多套LNALNA，每一每一LNALNA覆蓋若干部轉(zhuǎn)發(fā)器。覆蓋若干部轉(zhuǎn)發(fā)器。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星

30、通信工程師培訓(xùn)62( (d)d)小型化。星上有效載荷體積重量受限，故接收小型化。星上有效載荷體積重量受限，故接收機(jī)應(yīng)盡量小型化。機(jī)應(yīng)盡量小型化。4基本組成（基本組成（含接收機(jī)和發(fā)射機(jī)）含接收機(jī)和發(fā)射機(jī)）分分路路器器合合路路器器本振本振fLfUfDLNA混頻器混頻器激勵(lì)器激勵(lì)器功放功放C波段波段fU - - 2225MHz = fD2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)632006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)644）金屬金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET） 與普通的微波雙極晶體管相比，與普通的微波雙極晶體管相比，MESFET（以下以下簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)FET）能工作于更

31、高的頻率，是因?yàn)楣茏永芄ぷ饔诟叩念l率，是因?yàn)楣茏永昧松榛売昧松榛?GaAs)半導(dǎo)體材料。管子有源、漏和半導(dǎo)體材料。管子有源、漏和柵極。在柵極上，與普通的雙極晶體管不同，它柵極。在柵極上，與普通的雙極晶體管不同，它不是利用不是利用P型和型和N型半導(dǎo)體連接構(gòu)成型半導(dǎo)體連接構(gòu)成PN結(jié)，而是利結(jié)，而是利用金屬與半導(dǎo)體直接接觸，形成所謂肖特基勢(shì)壘用金屬與半導(dǎo)體直接接觸，形成所謂肖特基勢(shì)壘。在這種勢(shì)壘結(jié)中，只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電。在這種勢(shì)壘結(jié)中，只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電。在這里，半導(dǎo)體材料是在這里，半導(dǎo)體材料是N型砷化鎵，結(jié)中的多數(shù)載型砷化鎵，結(jié)中的多數(shù)載流子是電子。電子在流子是電子。電子在N型砷

32、化鎵中遷移率比起鍺、型砷化鎵中遷移率比起鍺、硅中載流子遷移率要高得多。硅中載流子遷移率要高得多。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)652006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)66半導(dǎo)體材料為半導(dǎo)體材料為N型砷化鎵型砷化鎵(GaAs)2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)674漏漏- -源間加正向偏置，柵源間加正向偏置，柵- -源間加反向偏置。在反源間加反向偏置。在反向偏置作用下，柵下出現(xiàn)耗盡層，壓縮了溝道，向偏置作用下，柵下出現(xiàn)耗盡層，壓縮了溝道，從源極流出、到達(dá)漏極的電子流量受溝道寬窄的從源極流出、到達(dá)漏極的電子流量受溝道寬窄的影響，反向偏置影響，反向偏置( (絕對(duì)值絕對(duì)

33、值) )大，溝道變窄，電流小大，溝道變窄，電流小；反之電流大，小的；反之電流大，小的 控制柵壓會(huì)引起大控制柵壓會(huì)引起大 的漏電流的變化，的漏電流的變化， 即輸入到柵即輸入到柵- -源間小源間小 的微波信號(hào)，在漏的微波信號(hào)，在漏- -源源 回路得到放大?；芈返玫椒糯?。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)682006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)694這種管子用作這種管子用作LNA時(shí)，其最小噪聲系數(shù)時(shí)，其最小噪聲系數(shù)NF近似為近似為 Nfmin=1+P(f/fT ) 普通晶體管普通晶體管 Nfmin=1+B（f/fT)24式中，式中，f f為工作頻率，為工作頻率，f fT T為特征頻

34、率（電流放大系為特征頻率（電流放大系數(shù)為數(shù)為1時(shí)的頻率），時(shí)的頻率），P P、B B為與管子尺寸、偏置等有為與管子尺寸、偏置等有關(guān)的系數(shù)。由上式可見(jiàn)，關(guān)的系數(shù)。由上式可見(jiàn)，f fT T越高，放大器的噪聲系越高，放大器的噪聲系數(shù)越低；而電子遷移率越高，管子的柵長(zhǎng)越短，數(shù)越低；而電子遷移率越高，管子的柵長(zhǎng)越短，即電子通過(guò)柵下溝道的渡越時(shí)間越短，則即電子通過(guò)柵下溝道的渡越時(shí)間越短，則f fT T越高。越高。按照現(xiàn)代工藝水平，柵長(zhǎng)可做到十分之幾微米級(jí)按照現(xiàn)代工藝水平，柵長(zhǎng)可做到十分之幾微米級(jí)。其。其f fT T比普通晶體管高得多，低噪聲性能好！比普通晶體管高得多，低噪聲性能好！ 2006衛(wèi)星通信工程師

35、培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)70 性能更好的或新型的微波低噪聲晶體管性能更好的或新型的微波低噪聲晶體管4高電子遷移率晶體管（高電子遷移率晶體管（HEMTHEMT）4異質(zhì)結(jié)雙極晶體管異質(zhì)結(jié)雙極晶體管2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)714根據(jù)低噪聲接收理論，接收機(jī)中越靠近輸入端的根據(jù)低噪聲接收理論，接收機(jī)中越靠近輸入端的放大器，產(chǎn)生的噪聲對(duì)接收機(jī)的影響越大。放大放大器，產(chǎn)生的噪聲對(duì)接收機(jī)的影響越大。放大器的噪聲大小是用噪聲系數(shù)或等效噪聲溫度來(lái)衡器的噪聲大小是用噪聲系數(shù)或等效噪聲溫度來(lái)衡量的：量的：01TTNFe01log10TTNFe或或outinNSNSNFdBNF/log10log10)

36、(S/N)in、(S/N)out分別為放大器組輸入、出信噪比，分別為放大器組輸入、出信噪比，To為為室溫室溫(290K)；Te為放大器的等效噪聲溫度。為放大器的等效噪聲溫度。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)724通常通常LNALNA由多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)而成由多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)而成TeTe1GLNA1Te2GLNA2Te3GLNA3213121LNALNAeLNAeeeGGTGTTT例：例：6GHz接收機(jī)接收機(jī)LNA由三級(jí)級(jí)聯(lián)，每級(jí)增益為由三級(jí)級(jí)聯(lián)，每級(jí)增益為10dB，噪聲溫度分別為噪聲溫度分別為T(mén)e1=30K、Te2=50K、Te3=80K。代入上代入上式求得式求得Te=35.8K2006

37、衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)73LF，T0饋線饋線低噪聲低噪聲接收機(jī)接收機(jī)TATRTA 天線噪聲溫度天線噪聲溫度LA 饋線損耗饋線損耗T0 室溫室溫TR 接收機(jī)等效噪聲溫接收機(jī)等效噪聲溫度度TS（系統(tǒng)噪聲溫度）系統(tǒng)噪聲溫度）A由于饋線損耗（發(fā)熱）而產(chǎn)生噪聲溫度，令由于饋線損耗（發(fā)熱）而產(chǎn)生噪聲溫度，令TLi為饋線輸入端（為饋線輸入端（A點(diǎn)）等效噪聲溫度，點(diǎn)）等效噪聲溫度，TLi = (LF-1)T0在參考點(diǎn)在參考點(diǎn)A的系統(tǒng)總噪聲溫度的系統(tǒng)總噪聲溫度 TS = TA+TLi+LFTR或或 TS= TA+ (LF-1)T0 + LFTR 在在B點(diǎn)點(diǎn) TS = TS/LF=TA/LF+(1-

38、1/LF)T0+TR B2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)744在接收機(jī)輸入端在接收機(jī)輸入端( (B B點(diǎn)點(diǎn)) )，饋線產(chǎn)生的噪聲溫度為，饋線產(chǎn)生的噪聲溫度為 TL=(1-1/LF)T0 LF=10log10LF TL= (1-10-LF/10 )T0 (ln10/10)LFT0 當(dāng)當(dāng)T0=290K時(shí)，可得時(shí)，可得 TL0 66.7LF4LF=0.1dB, TL = 6.67K4LF=0.2dB, TL = 13.34K2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)754定義：接收天線增益定義：接收天線增益( (G GR R) )與接收系統(tǒng)噪聲溫度與接收系統(tǒng)噪聲溫度( (T)T)之比。

39、常用對(duì)數(shù)表示（之比。常用對(duì)數(shù)表示（ G/T=10logG/T dB/K)G/T=10logG/T dB/K)。 T= T=外部噪聲溫度外部噪聲溫度+ +內(nèi)部噪聲溫度內(nèi)部噪聲溫度 計(jì)算公式：計(jì)算公式：G/T=GG/T=GR R dBdB-T-TdBdB （dB/K)dB/K)4意義：表征接收系統(tǒng)的接收靈敏度。意義：表征接收系統(tǒng)的接收靈敏度。 例例 衛(wèi)星天線增益衛(wèi)星天線增益 G GR R=24dB=24dB，T T外外=254=254K K，T T內(nèi)內(nèi)=35.8=35.8K K 解解 T=254+35.8 = 289.8K(T=24.6dB)T=254+35.8 = 289.8K(T=24.6dB

40、) G/T= 24-24.6 = -0.6dB/K G/T= 24-24.6 = -0.6dB/K 2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)764作用：接收通信對(duì)方通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的射頻信號(hào)，作用：接收通信對(duì)方通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的射頻信號(hào)，經(jīng)某些處理（如放大、變頻、濾波分路等），送經(jīng)某些處理（如放大、變頻、濾波分路等），送到后級(jí)進(jìn)行解調(diào)、解碼等，還原出基帶信息，送到后級(jí)進(jìn)行解調(diào)、解碼等，還原出基帶信息，送給用戶終端。給用戶終端。4特點(diǎn)：與衛(wèi)星接收機(jī)類(lèi)同。特點(diǎn)：與衛(wèi)星接收機(jī)類(lèi)同。4基本組成：基本組成：濾波器濾波器分分路路器器濾波器濾波器分分路路器器濾波器濾波器解調(diào)、解碼解調(diào)、解碼器器本振本振本振本振L

41、NA(分出轉(zhuǎn)發(fā)器分出轉(zhuǎn)發(fā)器)(分出載波分出載波)2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)772006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)784.2.14.2.1衛(wèi)星發(fā)射機(jī)衛(wèi)星發(fā)射機(jī)4作用：是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的重要組成部分，其基本作作用：是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的重要組成部分，其基本作用是將接收到的地球站信號(hào)經(jīng)變頻、放大等處理用是將接收到的地球站信號(hào)經(jīng)變頻、放大等處理后通過(guò)發(fā)射天線發(fā)向地面。后通過(guò)發(fā)射天線發(fā)向地面。4基本組成：基本組成：上變頻器上變頻器激勵(lì)器激勵(lì)器功放功放饋線饋線2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)794特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1 1）長(zhǎng)壽命；）長(zhǎng)壽命；（2 2）高可靠性；）高可靠性；（3 3）

42、盡可能高的效率）盡可能高的效率4基本類(lèi)型：基本類(lèi)型：（1 1）行波管放大器行波管放大器（TWTATWTA） 能產(chǎn)生能產(chǎn)生10 10 100100W W的射頻功率的射頻功率, ,產(chǎn)品成熟產(chǎn)品成熟, ,歷史悠久；歷史悠久；（2 2）固態(tài)功率放大器固態(tài)功率放大器( (SSPA)SSPA) 典型產(chǎn)品為典型產(chǎn)品為2020W W以以下，上世紀(jì)下，上世紀(jì)8080年代末開(kāi)始應(yīng)用于衛(wèi)星。年代末開(kāi)始應(yīng)用于衛(wèi)星。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)80 (a) 行波管的原理結(jié)構(gòu) (b)簡(jiǎn)化電路圖 圖 2.96 行波管的原理結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化電路圖 行波管的基本組成包括：行波管的基本組成包括： （a）電子槍電子槍?zhuān)浩?/p>

43、中的燈絲對(duì)陰：其中的燈絲對(duì)陰極加熱，使之發(fā)射熱電子流，而極加熱，使之發(fā)射熱電子流，而陽(yáng)極則使從陰極發(fā)射出來(lái)的電子陽(yáng)極則使從陰極發(fā)射出來(lái)的電子加速；加速；（b）慢波結(jié)構(gòu)慢波結(jié)構(gòu)：如螺旋線等；：如螺旋線等；（c）收集極收集極：用于收集陰極發(fā)出：用于收集陰極發(fā)出的電子流；的電子流； （d）輸入、輸出接口輸入、輸出接口：可以是：可以是波導(dǎo)或同軸線，用于微波信號(hào)的波導(dǎo)或同軸線，用于微波信號(hào)的輸入和輸出；輸入和輸出； （e）電子束聚焦裝置電子束聚焦裝置：可用磁：可用磁或電的方法，常用直流聚焦磁場(chǎng)或電的方法，常用直流聚焦磁場(chǎng) 2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)814螺旋線是一種螺旋線是一種“慢波結(jié)

44、構(gòu)慢波結(jié)構(gòu)”，是使毫米波場(chǎng)和電，是使毫米波場(chǎng)和電子束有效地相互作用所不能缺少的。理論證明，子束有效地相互作用所不能缺少的。理論證明，只有電磁場(chǎng)波的相速略低于電子束的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)只有電磁場(chǎng)波的相速略低于電子束的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，電子束就能把從直流電源獲得的能量轉(zhuǎn)換給毫，電子束就能把從直流電源獲得的能量轉(zhuǎn)換給毫米波場(chǎng)，使毫米波得到放大。但是電磁波在真空米波場(chǎng)，使毫米波得到放大。但是電磁波在真空中是以光速傳播的，比電子束的運(yùn)動(dòng)速度要大得中是以光速傳播的，比電子束的運(yùn)動(dòng)速度要大得多。金屬螺旋線是一種導(dǎo)行波傳輸系統(tǒng)，電波是多。金屬螺旋線是一種導(dǎo)行波傳輸系統(tǒng)，電波是沿線傳播，也就是沿著螺旋線轉(zhuǎn)圈的，而沿螺旋沿線傳

45、播，也就是沿著螺旋線轉(zhuǎn)圈的，而沿螺旋線軸向的速度，便是電磁波的相速，當(dāng)相速等于線軸向的速度，便是電磁波的相速，當(dāng)相速等于光速的十分之一時(shí)，則可以滿足上面提出的要求光速的十分之一時(shí)，則可以滿足上面提出的要求。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)824行波管的工作過(guò)程：行波管的工作過(guò)程：輸入的毫米波信號(hào)以輸入的毫米波信號(hào)以電磁波的形式沿螺旋電磁波的形式沿螺旋線線“行走行走”，電子束，電子束則沿螺旋線的中心軸則沿螺旋線的中心軸向運(yùn)動(dòng)。這當(dāng)中發(fā)生向運(yùn)動(dòng)。這當(dāng)中發(fā)生了兩種作用：一是微了兩種作用：一是微波場(chǎng)對(duì)電子束的速度波場(chǎng)對(duì)電子束的速度調(diào)制，一是能量交換調(diào)制，一是能量交換作用。作用。 圖 2.9

46、7 行波管中由于速度調(diào)制引起的電子群聚 2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)834先看速度調(diào)制的作用。由圖先看速度調(diào)制的作用。由圖2.97可見(jiàn)，當(dāng)電子速度與電波的可見(jiàn)，當(dāng)電子速度與電波的相速相等到時(shí)，在某一時(shí)刻圖中相速相等到時(shí)，在某一時(shí)刻圖中1、2、3處的電子將受到不處的電子將受到不同的電場(chǎng)力的作用：同的電場(chǎng)力的作用：1處的電場(chǎng)強(qiáng)度為零，因此這里的電子處的電場(chǎng)強(qiáng)度為零，因此這里的電子不受力；不受力；2處的電子和處的電子和3處的電子則分別受到加速和減速作用處的電子則分別受到加速和減速作用，向，向1處靠攏，于是引起了群聚。處靠攏，于是引起了群聚。4 其次，若電子速度在未受速度調(diào)制時(shí)，略大于

47、電磁波相速其次，若電子速度在未受速度調(diào)制時(shí)，略大于電磁波相速，則仍會(huì)產(chǎn)生群聚，但群聚中心將移到，則仍會(huì)產(chǎn)生群聚，但群聚中心將移到1、3之間，恰在毫米之間，恰在毫米波的減速場(chǎng)處（見(jiàn)圖波的減速場(chǎng)處（見(jiàn)圖2.98）微波場(chǎng)便從電子群中獲得了能量）微波場(chǎng)便從電子群中獲得了能量。 圖 2.98 電子速度大于電場(chǎng)速度時(shí)的群聚 2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)844隨著電子不斷地向前運(yùn)動(dòng)，毫米波場(chǎng)的能量逐漸隨著電子不斷地向前運(yùn)動(dòng)，毫米波場(chǎng)的能量逐漸增大，增大的毫米波場(chǎng)又進(jìn)一步使電子束群聚，增大，增大的毫米波場(chǎng)又進(jìn)一步使電子束群聚，從電子流中吸收更多的能量，壯大自己，結(jié)果便從電子流中吸收更多的能量，

48、壯大自己，結(jié)果便得到了下圖所畫(huà)的信號(hào)放大過(guò)程。得到了下圖所畫(huà)的信號(hào)放大過(guò)程。 2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)852006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)864要指出，螺旋線僅僅是慢波結(jié)構(gòu)中的一種，它適要指出，螺旋線僅僅是慢波結(jié)構(gòu)中的一種，它適用于百瓦級(jí)以下的中功率放大。為能承受更大的用于百瓦級(jí)以下的中功率放大。為能承受更大的功率，可采用其他的慢波結(jié)構(gòu)如耦合腔等。功率，可采用其他的慢波結(jié)構(gòu)如耦合腔等。 2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)872006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)884突出問(wèn)題：功率放大器的非線性突出問(wèn)題：功率放大器的非線性單載波飽和點(diǎn)多載波補(bǔ)償工

49、作點(diǎn)輸入 dBm輸出 d Bm圖12.7 衛(wèi)星行波管放大器的輸入與輸出補(bǔ)償關(guān)系，BOi =BOo +5 dBC/3Iff2f1-f2 f1 f2 2f2 f1 f1 f2 由于功放非線性而產(chǎn)生新的由于功放非線性而產(chǎn)生新的頻率分量頻率分量互調(diào)分量互調(diào)分量C/3I 載波載波/三次互調(diào)分量比三次互調(diào)分量比C/3I越大，線性越好！越大，線性越好！2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)892006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)904定義：定義： EIRP=PEIRP=PT T+G+GT T-L-Lf f （dBWdBW） P PT T=10lgP=10lgPT T， P PT T為發(fā)射機(jī)功率

50、（為發(fā)射機(jī)功率（W W） G GT T 發(fā)射天線增益（發(fā)射天線增益（dBdB） L Lf f 饋線損耗（饋線損耗（dBdB）4物理意義：發(fā)射系統(tǒng)（包括發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線）物理意義：發(fā)射系統(tǒng)（包括發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線）的等效發(fā)射功率。的等效發(fā)射功率。 例例 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器TWTTWT輸出功率輸出功率6060W W，發(fā)射天線增益發(fā)射天線增益2525dBdB，饋線損耗饋線損耗0.60.6dB,dB,求求 EIRPEIRP。 解解 EIRP=10lg60+25-0.8 = 41.98dBWEIRP=10lg60+25-0.8 = 41.98dBW2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)914作用：

51、將已調(diào)波經(jīng)過(guò)某些處理（如變頻、放大等作用：將已調(diào)波經(jīng)過(guò)某些處理（如變頻、放大等）之后，傳送給天饋系統(tǒng)，發(fā)向衛(wèi)星。）之后，傳送給天饋系統(tǒng)，發(fā)向衛(wèi)星。4基本要求：基本要求：（1 1）產(chǎn)生足夠大的射頻功率，以滿足上行鏈路對(duì)信）產(chǎn)生足夠大的射頻功率，以滿足上行鏈路對(duì)信噪比的要求；噪比的要求；（2 2）發(fā)射功率控制：應(yīng)能調(diào)節(jié)輸出功率，在正常情）發(fā)射功率控制：應(yīng)能調(diào)節(jié)輸出功率，在正常情況下保持功率電平的穩(wěn)定；況下保持功率電平的穩(wěn)定；（3 3）線性和低雜散輻射；）線性和低雜散輻射；（4 4）頻率穩(wěn)定度高；）頻率穩(wěn)定度高；（5 5）高可靠性和安全性。）高可靠性和安全性。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師

52、培訓(xùn)92（1 1）微波電子管：）微波電子管：行波管；速調(diào)管行波管；速調(diào)管4輸出微波功率幾百至幾千瓦；輸出微波功率幾百至幾千瓦；4高壓供電，電源及保護(hù)系統(tǒng)復(fù)雜；高壓供電，電源及保護(hù)系統(tǒng)復(fù)雜；4行波管具有寬帶性能，可覆蓋相應(yīng)的通信衛(wèi)星頻行波管具有寬帶性能，可覆蓋相應(yīng)的通信衛(wèi)星頻段；段；4速調(diào)管要按分配的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻段調(diào)諧速調(diào)管要按分配的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻段調(diào)諧（2 2）微波固態(tài)（半導(dǎo)體）器件：）微波固態(tài)（半導(dǎo)體）器件：功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管4輸出微波功率幾瓦至百瓦；輸出微波功率幾瓦至百瓦；4低電壓供電；低電壓供電；4具有寬帶性能，可覆蓋相應(yīng)的通信衛(wèi)星頻段具有寬帶性能，可覆蓋相應(yīng)的通信衛(wèi)星頻段2

53、006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)932006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)944基本組成基本組成（1）電子槍電子槍?zhuān)?）高頻結(jié)構(gòu)：）高頻結(jié)構(gòu)：由環(huán)形諧振腔和由環(huán)形諧振腔和漂移空間組成漂移空間組成（3）收集極）收集極（4）輸入、輸出）輸入、輸出裝置裝置聚焦系統(tǒng)聚焦系統(tǒng) 電子槍電子槍輸入口輸入口輸出口輸出口收集極收集極調(diào)諧桿調(diào)諧桿中間腔中間腔輸入腔輸入腔輸出腔輸出腔電子束電子束多腔速調(diào)管的基本組成多腔速調(diào)管的基本組成2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)952006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)964基本工作過(guò)程：速度調(diào)制群聚能量交換基本工作過(guò)程：速度調(diào)制群聚能量交換（

54、1 1）速度調(diào)制：輸入腔調(diào)諧于信號(hào)頻率）速度調(diào)制：輸入腔調(diào)諧于信號(hào)頻率f f0 0，在柵網(wǎng)在柵網(wǎng)1 12 2間激發(fā)起微波電場(chǎng)，不同時(shí)刻進(jìn)入的電子群受間激發(fā)起微波電場(chǎng)，不同時(shí)刻進(jìn)入的電子群受電場(chǎng)作用加速或減速，交變電場(chǎng)為零時(shí)速度不變。電場(chǎng)作用加速或減速，交變電場(chǎng)為零時(shí)速度不變。（2 2）群聚（密度調(diào)制）：在漂移空間，速度快的電）群聚（密度調(diào)制）：在漂移空間，速度快的電子趕上前面的電子，速度慢的電子落后下來(lái)。如子趕上前面的電子，速度慢的電子落后下來(lái)。如此，離開(kāi)輸入腔后，原來(lái)均勻的電子束，逐漸變?yōu)榇?，離開(kāi)輸入腔后，原來(lái)均勻的電子束，逐漸變?yōu)槭杳懿坏鹊碾娮訄F(tuán)（由直流形成交流分量）疏密不等的電子團(tuán)（由直

55、流形成交流分量）2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)972006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)982006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)994（3 3）能量交換：若輸出腔柵）能量交換：若輸出腔柵3 3、4 4處于最佳群聚位處于最佳群聚位置，且輸出腔也調(diào)諧于置，且輸出腔也調(diào)諧于f f0 0，交變電子流在腔中激交變電子流在腔中激起同頻電磁振蕩，在柵網(wǎng)間建立起與電子運(yùn)動(dòng)方起同頻電磁振蕩，在柵網(wǎng)間建立起與電子運(yùn)動(dòng)方向平行、頻率為向平行、頻率為f f0 0的微波電場(chǎng)。該電場(chǎng)與通過(guò)其的微波電場(chǎng)。該電場(chǎng)與通過(guò)其間的電子相互作用：由多數(shù)電子組成的電子團(tuán)恰間的電子相互作用：由多數(shù)電子組成的電

56、子團(tuán)恰好遇到減速電場(chǎng)，電子動(dòng)能減少，其能量轉(zhuǎn)化給好遇到減速電場(chǎng)，電子動(dòng)能減少，其能量轉(zhuǎn)化給微波場(chǎng)；而進(jìn)入加速電場(chǎng)的電子數(shù)很少，只從中微波場(chǎng)；而進(jìn)入加速電場(chǎng)的電子數(shù)很少，只從中吸收了很少的微波能量，結(jié)果，使微波場(chǎng)得到放吸收了很少的微波能量，結(jié)果，使微波場(chǎng)得到放大而輸出。大而輸出。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)1004加入中間腔的作用：增強(qiáng)速度調(diào)制和密度調(diào)制的加入中間腔的作用：增強(qiáng)速度調(diào)制和密度調(diào)制的效果，從而改善其放大作用，獲得更高的增益（效果，從而改善其放大作用，獲得更高的增益（如五腔速調(diào)管增益高達(dá)如五腔速調(diào)管增益高達(dá)5050dBdB）和更大輸出功率（和更大輸出功率（3 3kWk

57、W或更高）。或更高）。4速調(diào)管放大器速調(diào)管放大器速調(diào)管是一個(gè)器件與電路融為一體的微波放大器速調(diào)管是一個(gè)器件與電路融為一體的微波放大器，只需加入一些附助電路（控制、保護(hù)、電源等，只需加入一些附助電路（控制、保護(hù)、電源等）以及散熱裝置等，便可作為發(fā)射機(jī)的功放。）以及散熱裝置等，便可作為發(fā)射機(jī)的功放。2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)101中功放中功放冷卻冷卻速調(diào)管放大速調(diào)管放大器器高壓電源高壓電源波導(dǎo)波導(dǎo)多臂定向多臂定向耦合器耦合器功率指示器功率指示器飛弧保護(hù)飛弧保護(hù)可變衰減器可變衰減器速調(diào)管溫度速調(diào)管溫度殼體電流保護(hù)殼體電流保護(hù)門(mén)開(kāi)關(guān)裝置門(mén)開(kāi)關(guān)裝置燈絲調(diào)整裝置燈絲調(diào)整裝置遙控與本控遙控與本控?zé)艚z測(cè)試燈絲測(cè)試故障顯示故障顯示高壓保護(hù)高壓保護(hù)控保系統(tǒng)控保系統(tǒng)功率自動(dòng)功率自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)大駐波保大駐波保護(hù)裝置護(hù)裝置到天線到天線2006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)1022006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)1032006衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)衛(wèi)星通信工程師培訓(xùn)104HPA上變頻上變頻LNA下變頻下變頻中中頻頻接接口口調(diào)制器調(diào)制器解調(diào)器解調(diào)器收收發(fā)發(fā)處處理理及及控控制制設(shè)設(shè)備備控控制制總總線線HUB控控制接口制接口控制器控制器雙工器雙工器2006衛(wèi)