卫星通信地球站收发射频设备技术性能指标浅释（四）——地球站发射设备性能技术指标浅释

甘仲民

（解放军理工大学通信工程学院，南京　210007）

卫星通信地球站收发射频设备技术性能指标浅释（四）
——地球站发射设备性能技术指标浅释

甘仲民

（解放军理工大学通信工程学院，南京210007）

射频设备，包括天线、接收机、发射机，是卫星通信地球站的重要组成部分，决定了通信链路的传输性能，为了保证好的通信质量、可靠性和电磁兼容性，对RF设备给出了严格的规定，构成了一整套技术指标体系，本讲座将阐明这些指标的定义和内涵，并给出案例。

卫星通信；地球站；射频设备；技术性能指标

1　引言

地球站发射设备的任务是产生卫星上行链路所需的微波信号，馈送给天线，发向卫星。因此，对发射设备的主要要求有：产生足够大的射频功率，以满足上行链路对信噪比的要求；应能调节输出功率，在正常情况下保持功率电平的稳定；线性和低杂散辐射；频率稳定度高；高可靠性和安全性。

图1是地球站发射设备的基本组成，上变频器的作用是将调制器送来的已调中频载波，上变频为卫星上行链路所需的微波信号；功率放大器（简称功放）则是将此微波信号放大到规定的功率电平，输入到天线作为向卫星的发射信号。下面分别介绍其主要的技术性能指标。

图1　地球站发射设备的基本组成

2　上变频器

上变频器与下变频器的性能技术指标内容是相同的，只是所规定的数据不同。表1给出一个案例，供参考。

表1　一种C频段上变频器性能技术指标

3　功率放大器

地球站发射设备中常用的功率放大器有固态功率放大器（SSPA，简称固态功放）、行波管放大器（TWTA）、速调管功率放大器等。它们的基本技术指标含义是大致相同的，下面逐一列出并说明。

（1）频率范围：SSPA和TWTA功放带宽可覆盖某一卫星频段（如C频段5850～6425MHz），即具有宽频带性能；速调管功放常用于大功率发射，是谐振腔型的，可调谐到所要求的某个卫星转发器的带宽（如36MHz）。

（2）射频输出功率：这是功率放大器最为重要的指标。其中，固态功放可提供数瓦至数百瓦的微波功率（近来在C频段以下也有高达千瓦级的）；行波管放大器和速调管放大器可提供高达2～3kW的微波功率。输出功率通常用饱和输出功率（Psat）或1dB（增益）压缩点的输出功率（P1dB）来表示。

图2是典型的功率放大器输入-输出功率关系（又称转移特性或AM-AM变换），其基本规律是：当输入功率很小时，输出与输入之间呈线性关系（增益为常数），随着输入信号功率的增加，到达某一电平后，输入与输出之间不再是线性关系，即进入非线性区；当输出随输入的增加达到最大值之后，再继续增加输入，输出不再增加甚至反而下降时，这一最大临界值便称为饱和输出功率（Psat）；当小信号线性功率增益下降1dB时的输出功率，便称为1dB压缩点输出功率（P1dB）。

图2　典型的功放输入-输出特性

在卫星通信中，常用等效全向辐射功率（EIRP）来表示发射系统的功率发射能力，用分贝表示时其定义是

式中，PT是发射机输出功率；［PT］是其分贝值，对地球站系统性能评估时；PT用Psat或P1dB来表示；GT，LT分别是发射天线增益和馈线损耗，相应的分贝值为［GT］，［LT］。

（3）小信号增益：也即线性区的功率增益，用G表示时有

用分贝数表示时有

（4）增益调整范围：能按发射要求控制功率输出达到某一数值（电平），功放的增益应有一定的调节能力，即用分贝表示时最大增益与最小增益之差。例如，当P1dB=100W时，如增益调整范围为23dB，可通过增益调整，使输出功率在5～100W的范围内变化。

（5）增益设定精度：发射机工作时要输出多少功率，要根据系统设计给出的要求来确定；一旦给定需要发射的功率，便可通过调节增益来满足此要求，实际的输出相对于规定值的偏差，取决于增益的设定精度，故需对其提出适当要求。

（6）增益稳定度、小信号增益斜率、小信号增益变化：关于增益稳定度、增益斜率、增益变化的含义，在上变频器中已有说明。由于功放在大信号工作时，可能出现不同程度的非线性，会掩盖了放大器带宽内增益～频率特性的变化，故选在小信号工作时测量其增益斜率、增益变化的情况，更能反映放大器的性能。

（7）输入、输出驻波比：为了有效地放大信号、保持放大器良好的幅-频、相-频特性，要求功率放大器的输入、输出端分别与上变频器和双工器具有良好的匹配。尤其值得注意的是，在大功率放大器中，当输出端严重失配时，可能导致波导打火、损坏放大器，造成严重的设备故障，是要避免的。一般功放与双工器间接有隔离器和某些保护电路，以确保安全。

（8）三阶互调产物：这是衡量功率放大器非线性程度的指标。对于非线性放大器，可用下列多项式来描述其输出与输入之间的关系：

式中，a1，a3，a5，…是由功放输入-输出实际特性决定的正、负交替的系数。

当式（4）用前两项近似，V（t）=Acosω1t+Acosω2t时，代入式（4），求得

可见，由于非线性的作用，出现了新的角频率分量：2ω1-ω2，2ω2-ω1，对应的频率分别为2f1-f2，2f2-f1，它们分别为f2分量对2f1和f1分量对2f2分量调制产生的，故称为“互调”，这些互调是由式（5）的三次方项得出的，故称为三阶互调。这样，当功放输入二等幅、频率分别为f1，f2信号时，输出除这两个幅度得到了放大的频率分量外，还派生了2f1-f2，2f2-f1和其他高阶组合频率分量，而三阶互调产物可能落入信号通带内，形成干扰。三阶互调的大小，用输出的原有频率分量功率与之相比［C/IM3］（dB）表示（图3），也有用［IM3/C］（dB）表示的，二者仅“+”、“-”之差。

图3　功率放大器及其三阶互调产物

图4　功放及其互调产物的特性示例

要说明，对于同一功放，在不同的输入电平下，C/IM3是不同的，越靠近饱和点处的C/IM3越小，即三阶互调产物越大，反之亦然，如图4所示。为了减少互调可能产生的干扰，希望输入（输出）离饱和点远些，用输入或输出相对功率电平来衡量，所选的工作点与饱和点电平之差，分别称为输入（输出）补偿或回退。其中输入补偿（BOi）取相对输入功率的正值、输出补偿（BOo）取相对输出功率的正值，通常用分贝数表示。在性能指标要求中，是规定在某一［BO0］（dB）处给出［C/IM3］或［IM3/C］（dB）数据。

利用式（6），（7），便可画出功率f1，f2（称为基波）的功率与三阶互调功率转移特性曲线，如图5所示。由图5和上述数学式可见，对于输入频率为f1，f2的信号，输入功率增加1dB，输出也增加1dB；而三阶互调2f1-f2或2f2-f1的输出则增加3dB（真数为2倍）。基波与三阶互调功率相等时，即二特性的交点，称为三阶互调截点（见图5）。要指出，图5中输入、输出的基波功率应为二单波功率之和，三阶互调功率输出为二互调分量功率之和。

图5　三阶互调输出截点的导出

式中，［C］是等幅双波输入时总的输出功率（分贝数）；［C/IM3］是双波总输出功率对两个三阶互调功率（之和）比值的分贝数，它与基波单波输出对单个互调输出之比是相等的（见图3）。

当得知上变频器与功放的IP3时，二者级联后总的IP3（输入值）可按正式求得

式中，IP3in，1，IP3in，2分别为上变频、功放三阶互调截点输入功率。

由上变频器与功放组成的发射机及有关三阶互调截点输入功率如图6所示。

图6　地球站发射设备输入IP3的计算

减去滤波器的插入损耗（-2dB）便得到折算在设备输入端处的［IP3］in=2dBm，余类推。由图6可知，滤波器的IP3为∞，因而总的IP3是由上变频器和功放决定的

相应的［IP3］out可求得为

（10）谐波输出：这也是由于功放非线性所导致，除基波得到放大输出外，还产生了其谐波分量，是不希望有的，故要给出明确的要求。

（11）寄生信号输出：是指有用信号之外的各种杂散信号，如这些寄生信号输出过大，则会占用微波功率，并可能造成对有用信号的干扰，故要求它们的输出足够低。

（12）残留调幅：这是由于直流电输出存在幅度的起伏，以及某些低频噪声、干扰对输入载波的幅度调制的产物，其存在将引起信号波形的失真。

（13）噪声功率密度：功率放大器内部也会产生热噪声等噪声，在发射频带内的那些分量，也将送到天线发射出去，成为干扰，为便于测量和评估其影响，一般规定在某一单位频带内（如4kHz）不能超过其一数值。

（14）相位噪声：这是由于载波相位抖动而产生的噪声。

（15）AM/PM变换

（16）群时延

功耗是指直流功率与微波功率之差：

要指出，在饱和点之前，输出的微波功率越大，效率越高，到达饱和之后，随着输入功率的增加，效率迅速下降，也即功耗增加，使放大器管子发热，甚至损坏，这是值得注意的。

功放所需的直流功率占了地球站收、发设备电能的大部分；为能输出所需的微波功率，地球站的电源应有充分的保证。表2为一种C频段固态功放性能技术指标。

表2　一种C频段固态功放性能技术指标

［1］甘仲民，张更新，王华力等.毫米波通信技术与系统.北京：电子工业出版社，2003

［2］Behzad Razavi. RF Micoelectronics. NJ: Prentice Hall PTR.1998

Introduction of Technical Performance Specification for Receiving-Transmitting RF Equipment of a Satellite Communications Earth Station （Part 4）-- Introduction of Technical Performance Specification for Transmitter of Earth Station

Gan Zhongmin
（Institute of Communication Engineering，PLAUST，Nanjing，210007）

RF equipment，including antenna and transceiver，is an important part of a satellite communications earth station. It determines the performance of a communication link. To guarantee good communication quality，reliability and electromagnetic compatibility，strict regulations for RF equipment are made，and a complete set of technical performance specifications is constructed. In this series of lectures，we will explain definitions and content of these technical specifications，and give examples in practical applications.

satellite communications； earth station； RF equipment； technical performance specification

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.04.001

TN927+.2

A

1672-7274（2015）04-0001-05