KuKa波段卫星转发器

1、波段卫星转发器ku,ka李静(电子工业部第十三研究所, 石家庄050051)摘要本文介绍了转发器的结构特点及 k u , k a 波段卫星转发器的现状。关键词转发器卫星k u , k a 波段ku an d ka ban d s sa te ll ite tran spon derl i j in g(t h e 13 th i nstitu te, m in istry of e i , s h ij iaz h u ang 050051)a bstra c t t h is p ap e r in t ro du ce s th e st ru c tu ra l ch a rac te

2、r ist ic s o f th e t ran spo n de r an d th esta tu s o f th e k u an d k a b an d s sa te llite t ran spo n de r.keyword s t ran spo n de rsa te llitek u an d k a b an d s就是在多波束通信中对信号进行星上切换和处理1 。早期通信卫星 k a 波段转发器多属于“透 明”转发器, 采用单波束天线技术, 如日本 1983 年发射的 c s22 卫星, 通信功率分散, 实现的等 效全向辐射功率 (e ir p ) 值低。采用多波束

3、技引言1转发器是通信卫星中直接起中继站作用的部分。 对转发器的基本要求是: 以最小的附加 噪声和失真, 并以足够的工作频段和输出功率 来为各地球站有效而可靠地转发无线电信号。 依据是否对转发信号进行处理, 可将转发器分 为 “透明”转发器和“处理”转发器两大类。 “透明”转发器收到地面发来的信号, 除进行低术, 可以增加天线增益,提高 e ir p 值,实现空间隔离的频率复用。k a 频段的频率较高, 可以实现很窄的波束, 具有优于 c 波段和 k u 波段 的特性, 对于实现地面站的小型化和经济化具有重要意义。 采用多波束技术已成为 k a 频段 通信卫星发展的重要方向。多波束通信要求转发器

4、建立星上切换网络 实现不同波束间的互连, 因而转发器属于“处 理”转发。切换网络规模由天线波束数目而定。 多波束通信和星上切换网络的原理见图 1。设计转发器必须选择通信信道 (通常一路噪声放大、变频(k a 波段为 3020gh z)及功率放大外不作任何加工处理, 只单纯完成转发任务, 它对工作频带内的任何信号都是 “透 明”的通路, “透明”转发器也可称为弯管型转 发器; “处理”转发器除了进行转发信号外, 还 具有信号处理功能。 星上的信号处理, 主要包括对信号进行解调再生和其它的信号变换和处理,如上行 fdm a 变为下行 tdm a信号, 再信道, 可分为接收端和发射端两大部分。 在具

5、有信号处理能力的转发器中, 还具有处于接收 端和发射端之间的信号处理装置。 转发器的关键部件包括接收机、 功率放大器、 信道间的分 路器和合路器等。 转发器部件设计要求具有很 长的工作寿命, 能适应在太空工作和火箭发射 时的环境条件, 具有尽可能轻的重量。低噪声接收机由低噪声前置放大器、 变频器 (包括混频器及本振) 和驱动放大器三部分 组成。 关键部件是其前端的低噪声放大器, 其 主要性能目标是放大很低电平的宽带信号而不 引入明显的噪声。 变频器中通常需要通过适当 的滤波来抑制谐波并通过使发射机输出与接收 机电路适当隔离来满足杂波输出的规范。 驱动 放大器提供足够的增益, 多采用宽带工作的微

6、 波集成电路实现。 功率放大器主要有两种: 固图 1 多波束通信原理框图通信信道我们称之为一个转发器) 的数目, 确定每个信道的带宽和信道与信道之间的隔离宽 度。 信道的个数越多, 通信的容量越大, 卫星 的成本也就增大。 同时信道增加, 转发器消耗 的功率也增加, 控制线路就更复杂。 信道数目 的选择, 要针对用户需求, 并在技术和经济效益之间综合选择。 转发器的变频体制按其变频次数可分为一次变频和二次变频两种方案。 一次变频是指直 接将上行信号频率转换为下行信号频率的变频 方式; 二次变频是指首先将上行信号频率转换为频率较低的中频, 在中频进行放大和作其它 处理以后, 再转换为频率较高的下

7、行频率。 两 种变频体制各有优缺点, 一次变频体制直接进 行频率转换, 可以减少电路环节, 降低转发器 的体积和重量, 但是在工作频率很高时, 对元器件的要求也很高, 而且线路技术复杂, 电路 实现困难; 二次变频体制降低了信号频率, 线 路容易实现, 但是变频器的体积和重量比较大, 由于卫星载荷有限, 限制了转发器信道数目的 增加。 两种变频体制方案的原理框图如图 2 所示。通信卫星转发器具有多个大容量离散通信体 功 率 放 大 器( sspa )和 行 波 管 放 大 器( tw ta )。 过 去 星 上 微 波 功 率 发 射 器 多 用tw ta 。从 80 年代开始, sspa 开

8、始在低频低 功率的应用中取代 tw ta , 从此开始了激烈的竞争。sspa 的可靠性高、工作电压低、噪声系 数低、 重量轻、 抗辐照能力强、 对卫星有效载荷小型化十分有利。 所以在功率不太大的情况下, sspa 可取代 tw ta , 在高频高功率下, 目 前仍使用 tw ta , 随着技术的不断发展, 在更 高 的 频 率 更 高 的 功 率 下, sspa 将 取 代 tw ta 。分路器和合路器又称为输入多工器和 输出多工器。 分路器把宽带信号分离成若干窄图 2 变频体制原理框图(a)一次变频(b )二次变频带信号, 逐个进行功率放大, 实现通道化。 合路器将经功率放大器放大的各路信号

9、进行汇集 再送到天线分系统。 固态放大器以前已详细介绍过, 就不再赘述了。 这里侧重于转发器系统 和接收机部分。212 mm ic 接收机 3 m m ic 技术可减少转发器的尺寸和重量, 增加可靠性, 特别是在 k 波段领域, 具有寄生 电 抗 小、 器 件 性 能 一 致 性 的 优 势。m it 2su b ish i 已开发出 k u 波段m m ic 接收机, 并经过了空间验证。由于采用了m m ic 技术,其2 k u 波段重量只有普通接收机的一半。 表 1 为此接收机的性能。211intel sa t- k 卫星转发器 2 in t el sa t 与 gen e ra l e

10、lec t r ic t ech n ica l表 1ku 波段mm ic 接收机的性能摘要se rv ice s co rp 合作的 in t el sa t 2k 卫星是全k 波段星, 上面有 16 个 k u 波段 60w 转发器,8 个下行转发器面向欧洲, 8 个下行转发器面向 美洲。转发器的前端有四个冷却低噪声放大器,使用了 p e lt ie r 冷却剂, 使 f e t 温度达- 50,降低了噪声温度 015db , 可提供小于 211db 的 噪声系数。转发器的输出有两个放大网络, 每个放大网络有 11 个 tw ta , 其中 3 个是备用的。可替 代任一无效的放大器。 一侧

11、面板放大器有 5 个频率限幅放大器,每个 tw ta都有一个驱动限制放大器 (dl a ) , 用来驱动 tw ta , 可使 tw ta的上行饱和值达- 25db。dl a 可提供 32db 动接收机由温度补偿晶体振荡器 (t cxo ) ,d c d c 转换器和 4 个m m ic 模块组成。 这 4 个m m ic 模块包括l n a 模块、m ix 模块、ifa 模块和l o 模块。 图 3 为它的框图。l n a 模块可放大 14gh z 的输入信号, 增 益 35db。 这个模块也是由 4 个m m ic 芯片组态范围以调整增益,其增益 4215db ,带有两个指令衰减器, 磁通

12、量控制衰减器(fca )和增益控制衰减器 (gca )。fca 衰减器衰减输入信号, gca 衰减输出信号。dl a 与过压保护电路一起可避免 tw ta 的过压,也提供温度补偿。成, 每个芯片都用了自对准多层栅( sam )另一侧面板因输出频率跨度大, 没有限幅器。f e t , 以得到低噪声性能。sam f e t 单片放大项目性能输入 输出噪声系数 增益 频率稳定度 寄生输出输入输出v sw r 功率损耗 尺寸重量1410 1415gh z12125 12175gh z210db 最大46db1ppm 最大 ( - 10 40)d u 50db1112 最大317w 最大80mm 80m

13、m 65mm550 克 最大器的噪声性能与 h em t 单片放大器的相当。m ix 模 块 把 14gh z 的 输 入 信 号 变 成12gh z 信 号, 此 模 块 由 两 个 带 通 滤 波 器(b p f ) 和一个混频器芯片组成。平衡的偶次谐 波混频器有两个逆平行二极管对, 可抑制带内寄生信号。ifa 模块放大下变频 12gh z 波段的信号。 在此用了一个有两个双栅 f e t 的可变增益放 大器芯片来补偿温度增益的变化。l o 模块用锁相环可产生 900m h z 低噪声 本振源。本振源包括了有共栅结构 m e sf e t 的m m ic 压控振荡器 (v co ) , 它

14、采用一种绝缘谐 振电路以得到绝缘稳定的v co (dv co )。缓冲放大器可提供与后面负载更好的隔离, 也可为混频器提供合适的功率。总之, m m ic 技术将在卫星转发器的前端 接收机中起到重要作用, 它与 ph em t 和hb t 技术相结合, 可得到更优秀的接收机设计方法。k a 波段k a 波段的发展很不平衡, 美、日发展较快。 进入 90 年代以后, 随着 k a 波段技术以及元器 件制造工艺等基础技术的明显进步, k a 波段通 信卫星的发展展现出广阔的前景。 欧空局、 意 大利都已发射了实用性通信卫星。k a 波段卫星通信的上行频率为 27153另 外,com sa t w

15、o r ld sy stem s 利 用m m ic 技术也开发了 k u 波段接收机4构见图 4。, 其结31gh z, 下行频率为 1717 2112gh z,属于亚毫米波频段。 采用 k a 波段进行卫星通信具有许多优越性, 但由于频率很高, 线路技术复杂,对元器件制造工艺水平要求很高, 一次性成本 较大, 因而研制技术尚需完善。k a 波段频率还 应满足很高的电磁兼容要求。 星上电磁兼容设计是很复杂的问题, 要全面分析系统电磁环境,采取各种措施,确保系统实现电磁兼容。k a 波图 4 ku 波段m m ic 接收机它包括 14 1415gh z 的 l n a 、 144gh z段通信

16、卫星上、 下行信号频带带宽一般为 1116gh z, 但 接 收 机 带 宽 只 可 达 到 500900m h z, 不能在这样宽的频带上有效工作, 故 转发器通常采用两台接收机来接收信号。 多波束通信中, 每路波束都有一台接收机。另外, k a 频段信号传播雨致衰减现象比较 严重, 设计卫星通信系统时还必须考虑雨致衰 减的影响。 雨致衰减是造成 k a 频段卫星通信 传输质量下降的最严重的对流层传播效应。 目前在线路设计时, 考虑到大雨或暴雨造成的衰 减和去极化影响, 通常在晴天计算的基础上留 下一定的余量, 以保证在恶劣天气的情况下能 满足通信质量要求, 这个余量叫作降雨余量。由 于大暴

17、雨往往是在一定地区出现, 大雨槽一般 只有 2 6km , 因此用路由分集可以绕过大雨 区, 从而提高传播的可靠性。m e sf e t 的 平 衡 混 频 器、m e sf e t本 振(l o )源、带通滤波器和一个m e sf e t 的 317 412gh z 的 if 放大器。除了带通滤波器, 其它的都制作在 90m 厚的 gaa s 基片上。l n a 由 gaa s 芯片上的两级m e sf e t 构 成。 两个级联的双级m m ic 在 14125gh z 的500m h z 带宽内的噪声系数为 216db , 增益32db , 若采用 ph em t 技术,前正在研制中。性

18、能会更好, 目144gh z m e sf e t 的混频器以平衡结构采用了两个m e sf e t , 可提供l o r f 和l o if 端口较好的隔离,这种结构也可抑制高阶寄生信号和互调杂波, 它比有源模式下的 f e t 混频器能提供更高的线性、更低的 im p 和更高的 输出功率。311美国 acts 卫星 ka 波段转发器 5 分 由三级 h em t 构成, 将 30gh z 下变频到美国宇航局 n a sa开发的先进通信技术3gh z; 中频部分接收 3gh z 中频信号,产生 3卫星 a c t s 于 1992 年夏季发射。a c t s 卫星k a 波段通信系统用多个点

19、波束天线对地面站 提供高性能、 可控的服务, 使用先进的星上信号处理装置和波束间转接装置 (星上收发转接开关) , 采用降低 k a 波段卫星通信中雨致衰减 的技术, 可提供直接v sa t (甚小型天线地球 站) 和v sa t 通信。a c t s 卫星 k a 波段多波束 通信原理框图见图 5。a c t s 卫星上有 4 台 46w 的处理转发器。 转发器包括接收机、 基带处理器、 转换矩阵和功率发射机。 其性能参数列于表 2。 基带处理机和微波开关矩阵在转发器中属并列关系, 同时工作。 基带处理机连接两个跳 跃波束, 对接收到的信号进行解调后, 再根据 指令解码, 通过中央处理器的开

20、关矩阵和存储 器进行路由交换。 然后在通过输出部分重新编 码并调制。20gh z 大功率发射机有 3 台工作、 1 台备 份, 主要由上变频器和大功率放大器组成。 上变频器接收来自基带处理机或微波开关矩阵的中频 (3 4gh z) 信号, 通过高增益限幅放大后 送往上变频混频 器, 该 混 频 器 输 出 19122012gh z 信号到 tw ta , 并保证 tw ta 在饱 和状态工作。 大功率放大器用 tw ta 在 1912个输出信号, 线性放大后的信号送入基带处理机, 高增益限幅信号送往微波开关矩阵, 自动 跟踪信号下变频到 75m h z 后送到自动跟踪接 收机。表 2acts

21、ka 频段通信有效载荷特性参数 2012gh z 频带提供 46w输出。转发器共有 4 台低噪声接收机, 其中 3 台工作 1 台备份。l n r 可分为下变频部分和中频 部分, 它们均由微波集成电路组成。 下变频部参数多波束天线 形式数量 直径 增益偏馈卡塞格伦2 副313212m ( 下上)5246db i ( 固定跳变)可控波束天线 形式数量直径 增益偏馈抛物面2 副111m4244db i ( 下上)低噪声接收机 频率噪声系数增益2910 3010gh z315db55db基带处理机 输入速率tdm a 帧长 总容量11055m bp s ( 串行、每波束)1m s220m bp s微波开关矩阵 容量频带开关时间33310 410gh z 98db , 噪声系数 18db , 接收信号为 30gh z, if 输出为 1gh z,带宽 200