卫星通信技术的新发展(Ⅱ)

2013-09-04甘仲民

数字通信世界 2013年10期

关键词：馈源反射面频段

甘仲民

（接上期）

三、地球站技术

1. 多频段地球站（终端）

什么是多频段卫星通信终端？

同一部卫星通信地球站（终端）可工作于多种频段，如C，X，Ku，Ka，EHF等，一般至少是其中的双频段，典型的有：

C，Ku

X，Ka

Ku，Ka

C，X，Ku

C，Ku，Ka，EHF

……

为什么需要开发多频段卫星通信地球站（终端）？

军用前景：首先是军用的需求，以美军为例，新一代军用卫星通信包括宽带、窄带和高保护系统，工作于UHF，X，Ka，EHF等，加上利用商用的C，Ku频段，是多频段、多系统工作的。多频段地球站将简约通信设备，有利于作战部队的机动和便于隐蔽，更便于在飞机、舰船等空间严格受限的场合应用。

民用前景：利用卫星中继的应急通信中，具有多频段工作功能的车载站，可更方便地利用卫星的多种频率资源，获得更大的灵活性，保证系统工作的可靠性；在未来的Ka，EHF系统中，可利用较低（C或Ku）频段作为遇到大雨衰时的备用手段。

实现途径：主要归结为天线的射频系统的多段应用。

（1）利用传统的抛物反射面天线的多频段终端

主反射面多频段共用，而馈源系统具有多频段结构。图10是一种舰载双频段卫星终端的天线和馈源系统实物照片，有关技术参数见表2。

图10 舰载双频段卫星站天线及馈源系统

表2 一种C/Ku双频段天线的基本参数

这种双频段地球终端的组成如图11所示。

图11 C/Ku双频段卫星通信地球终端的组成框图

另一种8.1m双频段天线和馈源如图12所示；其基本性能如表3所示。

图12 8.1m双频段天线和馈源系统

表3 8.1m X/Ka双频段天线的基性能参数

这种天线的两个频段的方向图如图13所示。

图13 8.1m双频段天线方向图

值得注意的是，天线主反射面的设计，通常是按单频段进行优化的，多频段工作时天线效率势必有所降低，因而将引起接收G/T值和发射EIRP性能的恶化。

另外，多频段、大功率发射工作情况下，无源器件产生的互调（PIM）干扰是不容忽视的；PIM是由于天馈系统中金属与金属之间氧化物接触形成的半导体结的非线性所引起。

互调频率：nf1±mf2m＝1,2,3,…； n=1,2,3,…

PIM阶次：m+n

例如，一种地球站需要同时接收X，Ka频段（下行）信号，发射X频段信号。天线中要解决的一个突出问题是降低无源互调（PIM）产物电平，以免损害接收机中的低噪声放大器或造成对有用信号的干扰。举例说，若f1=7.9GHz，f2=8.4GHz，当n=9，m=6时，fIM=20.7GHz，恰好落在Ka接收频段内，造成对此频带接收信号的干扰。又如，在C/Ku双频段天线系统中，若f1=5.85GHz，f2=5.87GHz，f1+f2=11.72GHz，恰好落在Ku频段接收带内，也造成对此频带接收信号的干扰。

（2）多频段环焦天线技术

在中、小型双反射面天线中，为了避开馈源对副反射面的微波射线的阻挡，采用环焦天线将是好的选择。环焦天线与传统的抛物面天线不同之处是，前者用焦环取代了后者的焦点。一种环焦双反射器的天线构如图14所示。

图14 环焦双反射面天线的基本构成

环焦天线的主要优点有：

⊙ 馈源喇叭处于副反射面反射场辐射不到的位置，因而消除了副反射面反射场对馈源的影响，从而降低了天线的驻波比。

⊙ 馈源和副反射面距离近，可减少副反射面直径，从而减少了副反射面的遮挡；副反射面边缘的照射电平可以取得很低，减少绕射和漏辐射，获得低旁瓣性能和高的天线效率。

作为例子，一种口径为1.5m三频段天线的具体要求是：

C频段：可工作于线极化和圆极化；G/T≥13.0dB/K；最大功率2kW；轴比≤2.0dB；旁瓣满足INTELSAT模板要求。

X频段：工作于圆极化；G/T≥19.0dB/K；最大功率2kW；轴比≤1.5dB；旁瓣满足DSCS模板要求。

Ka频段：工作于圆极化；G/T≥24.0dB/K；最大功率0.1kW；轴比≤1.5dB（收）；1.0dB（发）；旁瓣满足INTELSAT模板要求。

根据使用要求：主反射面是三频段共用的，C频段使用单独的馈电装置（包括馈源和副反射面），X和Ka则是共用馈电装置（包括馈源和副反射面），根据需要此二馈源可更替。这两种馈电装置如图15所示。

图15 三频段馈源的结构

（3）多频段天线频率选择表面技术

将不同频段频率选择表面重叠堆栈，彼此互不影响，可获得多频段天线性能。一种工作于L，S和X三频段利用频率选择表面构成的天线如图16所示。图中最里层的是传统的X频段面天线，中间为S频段面天线，最外层为L频段面天线。在这些频率选择表面中，L，S频段面天线对X频段电磁波是透明的；L频段面天线对S频段电磁波是透明的。天线可一起安装在同一个天线罩内，可同时跟踪三颗对地静止卫星或极轨卫星，当然也可瞄准一颗三频段工作的卫星，这种天线还具有重量轻、成本低等突出优点。

图16 三频段频率选择面天线的构成

2. 全数字多频段RF收发信机

如前述，受A/D,D/A速率所限，目前SDR是在中频或较低的射频上实现的。然而，由于微电子技术的飞速发展，极高速的混合微电子器件可在高达200GHz的频率上工作，使得EHF这样的卫星终端的RF收发信机也能实现全数字化，这为SDR在卫星通信系统中的应用成为可能。图17给出了数字RF多卫星、多频段、多信道卫星收发信机的组成框图。其中接收部分的组成如图18所示。这里，数字交换矩阵提供A/D，D/A之间的交换，A/D，D/A分别与各频段天线连接，从而获得多频段的灵活应用，可编程的、与频率无关的模块处理单元，它们可反复地提供所需数目的信道，高速模/数变换器（A/D）配置在接收接口，将RF接收信号变换成数字信号，进而作数字信号处理。类似地，在发射端，信道化数字RF信号变换为模拟信号，送给功放，再传送到发射天线。

图17 数字RF多卫星、多频段、多信道卫星收发信机的组成

图18 多频段数字RF接收机简化框图

由图17和图18可见，这里的收发信机硬件是由若干（n个）A/D，D/A，m个信道化单元和n×m开关矩阵组成，其中n等于卫星频段数（如X，Ka和EHF，n=3）。每一A/D（D/A）器件包括带通、过采样δ-Σ调制器，将所有卫星频段信号数字化。数字信道化单元是与频率无关的，在任何卫星频段、任意中心频率和对任何带宽是完全可编程的，从而具有极大的灵活性。为了从每一频段提取多条信道，相应A/D调制器可同时用于多个独立的信道化单元。开关矩阵可对应于卫星频段（如X，Ka和EHF）的ADC输出选择路由到信道化单元集中去。信号的拷贝和选择路由是在数字域进行的，不会产生损失或恶化。所需信道数分配到每一频带，是通过开关矩阵编程按需适时动态地改变的。数字信道化单元输出一般为正交的I（同相）和Q（正交）分量，通过复数字运算产生，为多比特码字，比特数由过采样率决定。

类似地，在发射端，通过信道化滤波器、数字上变频器、发射开关矩阵和数-模变换（DAC）来获得所需要的功能。此外，数字功率放大器预失真线性器可在RF上集成到多波束、多频段、多信道终端中去，使功放高效、线性地工作。

这样，在所提出的方案中，除功放外，终端硬件可实现全数字化，为SDR的应用奠定了基础。

为实现上述方案，需引入一些新的技术。其中，超导在ADC中具有低噪声性能和高的灵敏度。据悉，ADC在低温下，超过20GHz的频率具有低于25K的噪声温度，而常规的低噪声放大器的噪声温度为120～130K。因而采用前者可使G/T值获得2～4dB的改善，或终端天线尺寸可降低20%～35%。

关于ADC，Nyquest速率为10MB/s，用14.5比特抽样时，钟速率为30GHz。

由于功放的非线性可能导致信号的失真，传统的补偿方法是使用预失真均衡器，它是在基带上进行的。但因传统半导体性能的限制，基带处理只能对弱的非线性有效。本方案中，提出了在RF波形上进行处理来克服功放非线性的影响。其理由是：一是对功放强的非线性也能产生接近理想的校正；二是只需用较简单的信号处理电路。尤其是在发射端也采超导时，可对RF载波实行近实时的数字自适应线性化处理，多载波工作时，可在接近功饱和点工作。这样，可使EIRP增加3～6dB。同时，一个较小的功放可覆盖宽带宽、功耗又很低，大大地降低了终端成本。

3. 应用举例：全数字多频段RF收发信机在HC3 GRA中的应用

HC3 GRA是美国基于采用公共硬件标准的政府参考框架，它是利用一个公共集成层来互连和控制各功能模块，如图19所示。其中每个模块可被取代或更新，而无需额外的终端集成或开发新的软件驱动器。每一个模块如核心调解器或基带接口可单独更换而不涉及其他模块。

图19 HC3 GRA典型的模块开放系统框架

图20给出了全数字多频段RF收发信机在HC3 GRA终端的应用框架。其中全数字RF方案提供了HC3 GRC天线群和RF模块的全部功能，并通过RF开关接入到单个多频段、多信道设备。RF模块是全可编程和通用的。它可应用到各种平台，包括采用不同标准频段（C,X,Ku,Ka和EHF）的固定站和动中通终端，而无需作任何的修改或重构。除功放及与天线连接外，消除了RF与IF的集成。比较图19和图20，我们看到，在应用全数字多频段RF收发信机的方案中，一个内部开关矩阵能够动态地选择路由，到多个对应于不同卫星频段的宽带ADC或DAC的数字RF输出，再到达公共信道化单元集，每一单元支持一个独立的调解器。可动态地按需分配到每一频带的信道数，即信道/调解器资源是可以动态分配到执行任务的各卫星频段、信号波形和通信网络（进一步比较参见图21和图22）。