一种应用于移动通信卫星的多端口功率放大器系统设计①

黄齐波，鲁 玲，王五兔，陈 博

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

自20世纪70年代以来至今，静止轨道移动通信卫星已经经过了40年的发展历程，主要面向个人及数据采集等小型用户终端，包括个人手持机、车载、舰载、机载等形式。目前在轨应用的主流静止轨道移动通信卫星属于第三代，部署于2000年之后，其典型系统有印度尼西亚的“亚洲蜂窝”(ACeS)系统[卫星名为“格鲁达”(Garuda)]、阿联酋的“瑟拉亚”(Thuraya)系统、国际移动卫星-4系统[1]。第三代静止轨道移动通信卫星主要标志是卫星通过大型可展开天线技术、大型通信卫星平台技术、多波束形成技术，阵列转发器技术等关键技术形成上百个波束，在其服务区内均满足支持小型化手持终端应用的卫星等效全向辐射功率(EIRP)和卫星接收品质因素(G/T)的极高要求，且能够在轨动态分配上百个波束服务区内的卫星下行功率。

根据业务传输需要，改变信道或波束分得的发射功率。在一些应用情况下，当不需要全覆盖灵活性时，可采用传统的天线，由于可以在零功率和全功率之间调整(波束)功率，多端口功率放大器是解决灵活功率管理的主要方式[2]。

本文研究的主要内容是设计实现用于多波束移动通信卫星在轨功率动态调配的高可靠性的多端口功率放大器系统，文章首先简要的叙述了多端口功率放大器系统(以下简称MPA系统)的基本组成，在此组成的基础上提出了一种新颖的环备份开关结构，能够保证MPA系统在其主份或各种备份状态下各通道之间的相位一致性，然后给出了基于这种等相位设计的环备份开关结构的MPA系统的性能仿真分析结果，最后介绍了根据本文设计方案实现的MPA系统的测试结果，并对指标要求、仿真分析结果和测试结果进行比对。

超表面是由亚波长单元按周期或非周期排列而成的人工电磁表面结构[3]，其中每个单元的电响应、磁响应、各向异性等特性均可以独立控制，对电磁波的传导、辐射、散射等特性可以实现几乎任意的调控，且剖面低、损耗小、可共形，这些使得超表面不仅能够大幅提升现有电磁器件的性能，更可以获得传统器件无法实现的新功能。

特别地，在波前控制方面，超表面展现出强大的波前重塑能力，可以对反射波或透射波在远场区域和近场区域的幅度、相位、和极化分布进行精确的控制[4-8]。

对于无线能量传输而言，超表面强大的波前控制能力可以在基于电磁辐射的中远距无线能量传输中发挥巨大作用，形成多个远场或近场聚焦波束，本文主要介绍就基于超表面的多波束天线技术，对目前已有的工作进行介绍和总结，并探讨其在中远距无线能量传输中的应用，最后总结并展望。

1 MPA系统组成原理

国际移动卫星-4和日本N-STAR等为代表的多波束移动通信卫星的MPA系统由输入网络(INet)、固态功率放大器(SSPA)、输出网络(ONet)以及冗余微波开关和同轴射频电缆组成，MPA系统在其工作频率范围内应具有优良的幅相一致性和各端口隔离度特性，能较好的满足多波束移动通信卫星波束形成对通道幅度相位一致性要求、波束之间隔离度对通道的隔离度要求以及多波束移动通信卫星波束的功率动态调配功能的要求。

MPA系统中输入、输出网络原理上一般是由多个3dB桥组成，不同卫星之间的区别在于3dB桥之间的级联方式有所区别；为了提高MPA系统的可靠性，星载MPA系统会设计冗余备份，与常规卫星转发器系统的环备份网络相比要求更为苛刻，MPA系统中的冗余环备份开关网络设计过程中需要特别考虑主份或备份路径的幅度相位一致性，不同MPA系统中的环备份结构形式上虽然有所区别，但均需要遵循保证MPA系统中各通道的幅相一致性原则，图1给出了Inmarsat-4 卫星MPA系统原理框图。

图1 INMARSAT-4卫星MPA系统原理框图Fig.1 Schematic of the MPA on the INMARSAT-4 satellite

下面一章中将要详细阐述，针对文章提出的MPA系统结构，为了保证主备份切换状态变化后，MPA系统中各通道相位一致性性能仍然保证要求的情况下，系统中设计的各种相位约束关系。

2 MPA系统设计

本文介绍了一种可应用于多波束移动通信卫星在轨功率动态调配的多端口功率放大器系统设计，该MPA系统是一个规模为8*8的MPA系统，为了提高系统的可靠性，采用10：8环备份冗余方式，其原理框图如图2所示。

图2 本文介绍的MPA系统原理框图Fig.2 Schematic of the proposed MPA system

文章中的MPA结构与Inmarsat-4的MPA系统的区别为：1)输入网络和输出网络中12个3dB桥的连接方式不一样；2)在实现同样规模的冗余备份的情况下，环备份开关数量相对较少。

文章中的MPA结构与N-STAR的MPA系统区别为：1)本文中的输入网络和输出网络均为对称结构，实现优良的幅度相位一致性难度较小，对称的输入、输出网络使得MPA系统每个端口对外表现的性能一致，更适合于通用的多波束卫星载荷系统设计， N-STAR设计的这种非对称的输入、输出网络是为了实现MPA系统中特定的相位关系通道，这种设计的针对性较强；2)N-STAR的输入、输出网络由于不对称的原因导致与环备份开关的连接也是按某种特定的顺序来连接，而本文MPA系统输入、输出系统与放大器连接更规整，实现系统内的主备份相位一致性能更容易一些。

2.1 输入网络

输入网络是MPA系统的重要组成部分，用于将输入信号进行等分。输入和输出端口数目均为8，1-8为输入端口，9-16为输出端口。任一路信号通过输入网络后把能量等分为8份，输入网络8×8原理框图如图3。

图3 本文介绍的MPA系统中输入网络原理框图Fig.3 Schematic of the INet in the proposed MPA system

输入网络中输出端口X9G～X16G的与输入端口X1G～X8G的相位关系矩阵如公式1所示。

(1)

输入网络各端口幅度一致性、与上述理论矩阵归一化后的相位一致性以及各端口的隔离度等性能直接影响MPA的幅相一致性性能和各端口输入输出隔离度性能，所以对输入网络的主要性能有如下要求：

各通道幅度不一致性≤±0.2dB；

各通道归一化的相位一致性≤±3度；

各端口的隔离度≥26dB；

2.2 固态功率放大器

固态功率放大器是MPA系统的核心组成部分，用于将信号进行功率放大，MPA的放大器特征性能主要由其决定，同时，10路固态放大器的幅度相位一致性性能对MPA的幅相一致性和隔离度等重要指标起着决定性的作用，所以对固态功率放大器的主要性能有如下要求：

增益≥92dB；

SSPA输出功率≥42.55dBm；

各路之间的幅度一致性≤±0.3dB；

各路之间的相位一致性≤±5度；

2.3 输出网络

输出网络是MPA系统的重要组成部分，用于将其8路输入信号进行等功率合成。输入和输出端口数目均为8，1-8为输入端口，9-16为输出端口，输出网络8×8原理框图如图4。

图4 本文介绍的MPA系统中输出网络原理框图Fig.4 Schematic of the ONet in the proposed MPA system

输出网络中输出端口X9G～X16G的与输入端口X1G～X8G的相位关系矩阵如公式2所示。

(2)

输出网络各端口幅度一致性、与上述理论矩阵归一化后的相位一致性以及各端口的隔离度等性能直接影响MPA的幅相一致性性能和各端口输入输出隔离度性能，所以对输出网络的主要性能有如下要求：

各通道幅度不一致性≤±0.2dB；

各通道归一化的相位一致性≤±3度；

各端口的隔离度≥26dB；

2.4 MPA系统中相位一致性设计

MPA系统中输入网络至输入环备份开关之间、输出环备份开关至输出网络之间、SSPA与输出环备份开关之间的射频同轴电缆设计为等相位，要求各段电缆之间的相位一致性≤±1度。

MPA系统虽然对输入网络、输出网路、固态功率放大器、开关、等相位电缆提出了相位一致性要求，但为了进一步减小系统级联之后的常温下的各组成部分的相位一致性残差积累，尤其是减小10路固放之间的常温下的全工作带宽内的相位一致性偏差，可根据各路SSPA的相位不一致性计算SSPA的输入端同轴稳相电缆的电长度，定制相应电长度的电缆达到对10路SSPA常温下相位不一致进行均衡的目的。图5为两组MPA系统的20路固放配相前后相位一致性对比；

(a)匹配前

(b)匹配后图5 20路固放相位一致性Fig.5 Phase balance characteristics of 20 SSPAs

从图5可以看出，通过利用同轴电缆进行全带宽内的相位均衡方法，可使20路SSPA之间的相位一致性由均衡前的≤±5度改善为≤±2度，从而可提高MPA系统的相位一致性和端口隔离度性能。

除此之外，由于冗余备份环的引入，当切换为备份时，为了保障备份状态下的MPA系统各通道的一致性，需要保证以下相位关系：

如图6所示，开关间连接电缆相位均要求一致；

MPA系统在备份状态(图7为一种备份状态)下时链路的电长度与主份状态下(图6位主份状态)必须相差2n ，其中n为整数，为了减小任意主备份状态下信号链路由于相差整数个周期而引起的工作带宽内上下边频相位色散差，n在兼顾开关间连接电缆受开关环备份结构布局决定的实际长度取值的情况下，尽量取小；

SSPA1和SSPA10的输入电缆比其它8路的输入电缆在相位均衡后还需要增加n*360度(n取值同上一条要求)；

图6 MPA系统主份时信号流图Fig.6 the signal flow graph of the proposed MPA system at main work status

图7 MPA系统一种备份时信号流图Fig.7 the signal flow graph of the proposed MPA system at backup status

满足以上MPA系统中相位关系约束条件，可以在保证主份和备份状态下各通道之间的幅度和相位一致性性能情况下，实现系统10：8的冗余备份。

3 MPA系统仿真与测试

为了简化MPA系统的仿真模型，同时不影响MPA系统的仿真准确度，在仿真软件ADS中建模只考虑实际信号流向关系，不考虑备份SSPA以及环备份开关。输入网络、固放组件、输出网络均按第2章中的幅度相位一致性要求设置幅度相位不一致值进行仿真，仿真模型如图8所示，输入网路和输出网络通过设置3dB90度桥的相位不一致性模拟实际特性，固放通过设置每路固放的移相衰减量模拟固放组件实际的幅度相位不一致性特性，用理想的TL线模拟电缆和开关的电长度。

利用ADS对MPA系统的各端口之间的隔离度、幅度一致性、相位一致性和表征功率动态调配最大能力的功率集中能力等性能，开展了S参数仿真和非线性谐波平衡仿真分析。图9中(a)为MPA系统8个输出端口之间的隔离度仿真曲线，图9中(b)为功率集中能力仿真曲线，主要参数的仿真结果见表1。

表1 设计要求、仿真结果和测试结果Table 1 design requirements, simulation results and test results

图8 MPA系统仿真模型Fig.8 the simulation model of the proposed MPA system

(a)隔离度

(b)功率集中能力图9 MPA系统性能仿真Fig.9 Simulated performance of the proposed MPA system

对基于本文介绍的MPA系统方案的实际集成系统开展了详细的测试，MPA系统的主要性能：1)幅度一致性为±0.13dB；2)相位一致性为±1.22度；3)功率集中能力为51.2dBm；4)端口之间隔离度最小值为24.48dB，该性能能够满足多波束移动通信卫星波束形成对通道幅度相位一致性要求、波束之间隔离度对通道的隔离度要求以及多波束移动通信卫星波束的功率动态调配功能的要求。

4 总结

本文提出了一种MPA系统的设计方案，并给出了基于此方案的MPA系统的设计、仿真及测试结果。此MPA系统可应用于移动通信卫星等多波束通信卫星阵列转发器中，设计的MPA系统的仿真和测试结果显示出了良好的一致性，其测试的幅度和相位一致性性能、端口隔离度性能、功率集中能力性能和功率动态调配等功能均能满足多波束卫星波束形成、波束隔离、功率动态调配等性能和功能要求，该MPA系统的设计方案和实现方法可广泛应用于多波束卫星系统中。