基于DBF的波束功率控制及优化设计技术

李 彪，吴 欢，崔 蕾，李 岩，周 颖，万继响

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

低轨卫星轨道高度低、因此具有传输时延低以及路径损耗小的特点，可用于小型化用户终端，低轨卫星按照一定的星座布局组成卫星系统时，可提供全球无缝覆盖。自Iridium第一代卫星系统在1998年建成以来，低轨卫星系统开始快速发展。在20世纪末，以Iridium和GlobalStar等系统为代表的低轨卫星通信系统成功组网运行，并相继部署了第二代系统[1-4]；近年来，以Starlink为代表的新一代低轨卫星系统也迅速发展[5]，截至2022年7月，Starlink卫星系统的在轨卫星数量已经超过2700颗。

目前，国内以航天科技、航天科工集团为代表的卫星制造企业相继提出了低轨卫星星座系统，包括鸿雁、虹云等卫星星座，并在2019—2020年相继发射了试验卫星[6]。中国卫星网络集团有限公司的成立标志着我国的卫星互联网系统和相关的空间信息基础设施建设进入了发力阶段[7]。低轨卫星绕地球飞行，会经过大城市人口密集区域及山区海洋等，其业务随时间的变化范围大；对于卫星移动通信业务，采用全球无缝的波束覆盖使用户可以随时接入[8-9]；对于下行业务，波束功率调配能力可以使系统具备更强灵活性和服务能力，并能有效减少整星功耗。因此，对于低轨卫星系统的移动通信业务而言，全球无缝覆盖的波束间干扰、波束频率资源分配及波束的功率动态调配等就是与卫星系统性能直接相关的几项关键问题。

基于现有的公开的文献资料调研，GlobalStar I代、GlobalStar II代及Iridium I代卫星均采用子阵形式的区域波束形成，硬件构架使得系统的功率调配能力非常有限。Iridium Next系统采用平面阵列方案，阵面所有单元均参与波束形成，采用基于巴特勒矩阵的模拟波束形成网络，功率调配能力有限[10]，在公开的文献资料中并未对波束排列和频率分配方案及功率集中能力进行描述。GlobalStar I代、GlobalStar II代及Iridium I代和Iridium NEXT系统均采用了针对业务变化的功放电压调整技术来提高回退状态下的效率，但基于PHEMT工艺的功放组件静态功耗较高[11]，在业务较少时的功耗节省作用有限。

本文提出了一种适用于低轨卫星星座的波束排布及优化设计方法，采用地球匹配波束设计，可实现更好的链路质量和覆盖效率，其各项指标与传统设计方法对比情况如表1所列。在下行波束设计中，采用唯相位加权的优化设计方法，共52波束，12色复用，在满足波束增益及波束间C/I指标的基础上，单波束输出功率可在静默至满功率之间调整。针对卫星在轨业务分配不均匀导致发射功率动态范围大的特点，提出了一种基于星上自适应的功放功率随动技术，提高了功放平均效率，降低了整星功耗。

表1 本文设计方法与传统设计对比

1 波束优化设计方法

本文以鸿雁星座波束设计进行分析，星座共包含54颗卫星，运行于1100公里高度，分布在6个轨道面，每个轨道面9颗卫星，轨道倾角为86°，单星覆盖范围为±58°锥角。通信业务采用基于数字波束形成(digital beam forming,DBF)技术的L频段相控阵天线，在波束设计中为了使落地电平在卫星覆盖区内的起伏尽量小、形成有效覆盖并尽量减少天线功耗，通过权值赋形每颗卫星可形成52个地球匹配波束，卫星覆盖区边缘与星下点的路径损耗相差9dB[12]，如图1所示为以星下点归一的星下覆盖区路径损耗曲线。

图1 卫星覆盖区归一化路径损耗曲线Fig.1 Normalized path loss curve of satellite coverage area

首先，根据系统链路需求，分解对天线波束性能需求，包含波束增益、覆盖区范围、波束数量及波束C/I等。将星座分为若干轨道面，为避免异轨卫星覆盖区的同频波束交叠，相邻轨道面卫星的工作频率不同。对于单个星内，分为多个波束，波束采用多色复用来提高频率资源利用率，在同频波束之间保留一定的空间间隔，且在波束优化时需要对同频波束区域的增益进行抑制来尽量提高C/I。对于同一轨道面，在波束排布时，同频波束也具有一定的空间隔离。针对下行波束，采用波束的唯相位加权来提高发射组件的工作效率。

对于覆盖区边缘波束的副瓣，由于低轨卫星星下点和覆盖区边缘的星地距离差异大，导致其对星下波束会造成较大的干扰，在下行波束采用等幅度激励权值的唯相位加权优化方法后，波束的赋形能力下降，使影响更加恶化[13]。为了满足C/I≥18dB的指标要求，本文提出的方法采用了不等次数的频率复用设计。单个卫星一共形成52个波束，中心波束覆盖区半张角为32°，第二圈波束覆盖区半张角范围为32°～48°，边缘波束覆盖区半张角范围为48°～58°，如图2(a)所示。其中，星下的1～4号波束每波束使用1个频率，共使用4色；剩余的48个波束复用8个频率，每个频率复用6次。如图2(b)所示为相同轨道的前后两颗卫星的波束交叠示意图，同频波束不存在交叠且具有一定的空间隔离。对于不同轨道卫星，相邻轨道的卫星使用不同的频率，不存在同频率干扰问题，在整个卫星系统中，通过对频率资源进行均衡来提高频率资源利用效率。

图2 单星12色复用波束划分示意图及同轨道相邻卫星波束交叠情况Fig.2 Schematic diagram of single satellite 12 color multiplexing beam division and beam overlap of adjacent satellites in the same orbit

2 功率随动技术

固定偏压的功放效率曲线如图3所示，随着输出功率的提高，其效率也逐渐提高，在接近饱和时效率达到最大，此时再继续增大输入，功放将出现饱和失真，多余的能量以谐波的形式出现，从而导致效率降低。

图3 固定偏压的功放效率曲线Fig.3 Power amplifier efficiency curve with fixed bias

低轨卫星业务变化较大，发射通道处于小信号输出工作状态甚至无输出状态的时间占比大，如果采取通常的固定偏压形式，功放将长时间工作于较低的效率区间。不过，随着供电电压值的变化，功放的功率附加效率/输出功率曲线的峰值点会发生变化，图4显示了不同电压下的功率附加效率/输出功率关系曲线，可以看出峰值效率的输出功率随着供电电压的增大而增大。

图4 不同供电电压下PAE与输出功率之间的关系Fig.4 Relationship between PAE and output power under different voltages

根据输出信号功率的变化实时地调整功放漏极或集电极偏置电压，可以使放大器尽可能长时间工作于效率较高的区域。偏压调整的功放效率如图5绿线所示，可以看出随输出功率适当调整电压后，实际功率附加效率远大于传统工作模式(红线)。

图5 固定偏压与调整偏压功放效率对比Fig.5 Comparison of power amplifier efficiency between fixed bias and adjusted bias

通过反复迭代，为不同输出功率寻找最优化的供电电压值，使其在输出功率、效率和线性度之间得以平衡，最终可以得到一组输出功率与最优化供电电压的对应关系，如图6所示。通过卫星业务处理器根据业务量多少(反映在发射通道的输入电平上)通过指令实时调节电源的输出电压，整个系统形成功率跟踪的自闭环。

图6 最优化供电电压值与输出功率的对应关系Fig.6 Optimize the relationship between supply voltage and output power

3 设计结果与分析

3.1 波束设计结果

天线阵列包含108个单元，采用三角形布阵，共9行12列，如图7所示。发射天线采用唯相位加权优化，所有单元等幅度激励，接收天线采用幅相优化。

图7 天线阵列布局Fig.7 Antenna array layout

波束满足等通量地球匹配设计，如图8(a)所示，52个波束沿径向方向切面在对应覆盖区边缘位置的增益高于22dB，边缘波束峰值增益大于22.5dB。图8(b)中所示为从卫星视角投影在地球表面的发射波束落地指标要求电平覆盖范围示意图，可以看出发射波束可以满足对星下±58°锥角对应范围的100%覆盖。

图8 发射波束等增益覆盖范围Fig.8 Equal gain coverage of transmit beam

图9中所示为发射波束在单星覆盖区内的C/I设计结果，可以看出，在覆盖区范围内波束C/I优于18dB。其中中心的4个波束每个波束使用了独立频段，不存在复用，因此在图中未画出。

在本文中，为了提高发射组件效率，发射波束采用等幅度唯相位加权方式，在覆盖区均匀功率模式工作时，52个发射波束输出功率相同，为总发射功率的1/52；天线采用数字波束形成，在用户数量少或者相对比较集中时，可以通过波束-信道映射配置仅使少量波束工作，也可以将天线功率集中于少量波束中，如图10所示。对于单波束而言，可以通过权值影射来关闭波束，或将所有功率集中至一个波束。

图9 发射波束C/I大于18dB范围(中心4波束未画出)Fig.9 C/I of transmission beam is greater than 18dB (center 4 beam is not shown)

图10 DBF相控阵天线波束-信道映射原理图Fig.10 Schematic diagram of DBF phased array antenna beam channel mapping

3.2 星上自主功率控制

PT_IF为卫星业务处理器输出的中频信号功率，通过相控阵天线发射通道变频、放大后为卫星下行业务总功率P0，射频通道具有固定增益，因此PT-IF与P0一一对应。根据业务量可确定所需求的下行总功率，并确定中频信号功率，在卫星业务处理器内部通过最优化供电电压值与功率的对应关系转化为相应的电源电压调整指令Vt；接着，发射组件电源调整发射功放对应于该业务状态的供电电压值Vcc。这样，就完成了发射功放供电电压与相应输出功率随业务量的自闭环调整，达到了节省功耗并且高效的设计策略。星上自主功率控制的原理框图如图11所示。

图11 相控阵天线SSPA调压原理示意图Fig.11 Schematic diagram of SSPA voltage regulation principle of phased array antenna

相较于传统的赝调制掺杂异质结场效应晶体管(pseudomorphic high electron mobility transisto,PHEMT)工艺的功率放大芯片而言，异质结双极晶体管(heterojunction bipolar transistor,HBT)工艺的功率放大芯片具有高线性度，高效率及高动/静态电流比的特点[14]。其中HBT功放的静/动态电流之比可高达1:10，这意味着实现同样的输出能力，HBT功放的静态电流可远小于PHEMT功放。针对低轨卫星移动通信业务随时间变化导致发射组件输出功率长时间工作于回退状态的特点，静态电流更低的HBT工艺功放可以使整星能源更高效的利用。在此基础上，对其电压进行调整，进一步提高回退工作下的效率，降低整星功耗。

传统PHEMT工艺的功放需系统额外补偿调压过程带来的性能变化，对于HBT功放，其基极电压保持不变，根据输出功率调整集电极电压。此状态下功放静态工作点不变，增益基本不变[15]。HBT功放调压前后在输出功率相同时，其电流基本不变，而随着供电电压降低，功耗降低，从而达到提高效率的目的。

采用集电极调压方式后，末级功放平均功耗可降低30%以上。

4 结论

针对低轨卫星单星覆盖区内路径差异大、卫星业务分配不均和工作动态范围大的问题，提出了一种适用于低轨卫星的波束优化设计方法，采用地球匹配波束设计，来实现更好的链路质量和覆盖效率。在下行波束设计中，通过唯相位加权优化设计方法，在满足波束增益要求及波束间C/I的基础上，实现了单波束功率由0%～100%的调整能力。针对低轨卫星移动通信业务随时间变化导致发射组件输出功率长时间工作于回退状态的特点，提出了一种通过卫星业务处理器实现业务量变化与功放的最佳效率供电电压匹配调整的星上自适应功放功率随动技术，选用高线性度，高效率及高动/静态电流比的HBT功放芯片，在充分利用其低静态电流的优势基础上，根据输出功率适时调整其偏压，使得功放平均效率有效提高，减少了天线的平均功耗和热耗，对于轻量化、小型化的低轨卫星具有重要意义。