第5章 星载和地球站设备

1第5章星载和地球站设备2提要（一）HPA和LNA（二）星载转发器（三）通信地球站设备（四）其它类型的地球站(略)1.卫星通信系统的组成

（1）卫星通信系统的组成通常卫星通信系统是由地球站、通信卫星、跟踪遥测及指令系统和监控管理系统4大部分组成的，如图所示。（2）卫星通信线路的组成5一、HPA和LNA高功率放大器（HPA）在常规的卫星通信中，通信卫星多采用静止卫星，距离地球站较远，电波传输损耗较大。接收设备受噪声限制，其接收灵敏度不可能无限提高，而发射方上变频器限于器件水平,输出功率一般都比较低(大约-20~10dBm)，所以为了可靠接收，在上变频器之后要设置一个增益达到50~80dB，输出功率约几瓦到几千瓦量级的高功率放大器。行波管放大器（TWTA）速调管放大器（KPA）固态功率放大器（SSPA）6图5-2不同频段三种放大器的输出功率7高功率放大器输出功率带宽功放管TWTA中50~800W水冷:10kw较宽C波段：500MHzKu和Ka波段:1000MHz真空管KPA大1KW以上较窄50-100MHz真空管SSPA小3-10W介于TWTA和KPA之间砷化镓场效应半导体管三种放大器的性能比较8室外单元包括GaAsFET固态功率放大器、低噪声FET放大器、上/下变频器及其检测电路等，并组装成一个部件设置在天线馈源附近；910低噪声放大器（LNA）地球站接收到的卫星信号非常微弱，因此必须在接收系统前端加入低噪声放大器(LNA)。LNA的要求：高增益，要对微弱信号进行高倍放大；低噪声，放大器本身引入的噪声也要足够低，不能淹没微弱的有用信号；宽频带、高稳定性、高可靠性等。11低噪声放大器（LNA）参量放大器致冷砷化镓场效应放大器常温砷化镓场效应放大器(GaAsFET)12图4-3三种LNA的内部噪声性能13LNA前端的接法LNA模块只包含低噪声放大器宽带低噪声下变频模块：LNA模块除了低噪声放大器以外，还包含宽带下变频器，带宽约500MHz窄带低噪声下变频模块：LNA模块除了低噪声放大器以外，还包含窄带下变频器，带宽约70MHz14转发器由输入设备、调制设备、本振设备、放大设备和发射设备组成，可以转发两地或多地的电报、电话、数据、传真、电视、广播等多类业务。转发器接收来自地面的无线电波，经过放大后，变换频率再向地面发射，相当于一个微波中继站。二、星载转发器15转发器通常分为：透明转发器（弯管式转发器）：收到地面发来的信号后，除进行低噪声放大、变频、功率放大外，不作任何加工处理，只是单纯地完成转发任务。结构简单，性能可靠，适用于卫星有效载荷和电源功率严重受限的情况处理转发器：除进行信号转发外，还具有信号处理功能。主要功能包扩：解调再生，避免噪声积累星上交换，对不同的卫星天线波束之间进行信号交换。16（一）弯管式转发器（透明转发器）图4-4

星载微波转发器功能图17图4-5弯管式转发器方框图18（二）转发器的EIRP和G/T对转发器的基本要求是：以最小的附加噪声和失真，并以足够的工作频带和输出功率来为各地球站有效而可靠地转发无线电信号。EIRP和G/T是转发器射频部分最重要的两个指标，除了决定于HPA输出功率和LNA的等效噪声温度以外，还与星载天线的增益相关。天线增益G与半功率波束宽度0.5的关系可以近似表示为G=27000/(0.5)2

对任意形状服务区的覆盖总希望天线对该区域提供大的增益，为此采用若干点波束的组合来对覆盖区赋形。19（5.2.3）星载天线喇叭型天线抛物面反射型天线赋形天线相控阵列天线201、喇叭天线形状似喇叭，如圆锥形、角锥形辐射效率高天线方向性强21图4-6中心馈源和偏置馈源的抛物面反射天线2.抛物面反射型天线22图4-7中心馈源的阻挡效应233、赋形波束天线对任意形状服务区的覆盖总希望天线对该区域提供大的增益，为此采用若干点波束的组合来对覆盖区赋形。可通过修改反射器形状来实现也可利用多个馈源从不同方向经反射器反射产生多波束的组合244、相控阵列天线和多波束天线阵列天线相控阵列天线25三、通信地球站设备射频部分中频与基带处理部分地面接口与陆地链路陆地链路的选择地面接口2.地球站的组成

图5-16地球站主要单元设备27天线卡塞格伦天线高功率放大器HPA波导耦合合路器滤波器型合路器低噪声放大器LNA上、下变频器地球站射频部分28卫星天线通常采用抛物面天线，利用无线电波信号跟光相似的特点来反射聚集电磁波，接收天线结构主要由反射面、馈源和支架几部分组成。按照天线反射面与馈源所处的相对位置不同，我们可以把抛物面天线分为正馈天线偏馈天线29①正馈天线中心聚集电波的卫星天线被称为正馈天线，其天线反射面呈正圆状，馈源位于天线抛物面焦点处。正馈天线根据结构不同还可再分为前馈式天线（即普通抛物面天线）后馈式天线（即卡塞格伦天线）。30前馈式抛物面天线

金属抛物面

卫星来波反射信号波

反射焦点（馈源）

31原理图卫星来波金属抛物面

反射信号波反射焦点（馈源）

Ff太阳聚光镜32原理图33前馈式天线优点：结构简单、成本较低缺点：由于馈源正好位于天线抛物面焦点处，带来诸多问题，比如辐射器对反射电波有个遮挡作用；馈线较长，损耗较大；LNB处于阳光直射环境，温度高等。一般大型站不用。3435目前大型地球站应用最多的天线是卡塞格伦天线。它属于后馈式天线，由馈源喇叭(一次辐射源)、主反射器(抛物面)和副反射器(双曲面)组成。卫星来波金属抛物面

副反射面(双曲面)虚焦点F1

实焦点F2馈源

36后馈式抛物面天线卫星来波金属抛物面

1次反射信号波

虚聚焦点（双曲面）实聚焦点（馈源）

2次反射信号波37副反射面(旋转双曲面)馈源主反射面39卡塞格伦天线的优点：馈源安放在抛物面顶点附近，因此可直接和主反射面背后的低噪声放大器连接，降低了因馈电波导过长而引起的损耗噪声；主副反射面调整方便，效率高；抛物面焦距很短，降低了整个天线的长度;降低了大地反射噪声。缺点：结构复杂，价格昂贵，制造、安装、调试、维护的技术要求也都比较高，适合大中型地球站，不适于家庭和小范围使用。副反射器及其支架的阻挡，造成效率下降4041②偏馈天线偏馈天线特别适合接收KU波段信号，一般来说口径较小，通常在一米以下，反射面呈现椭圆。由于馈源安装的位置不在天线反射面的中心线上，所以被称为偏馈天线。42普通偏馈天线的侧视图卫星电波

指向卫星

水平

θLNB(高频头)高频头支杆

43偏馈天线44伺服跟踪分系统虽然通信卫星大多为静止卫星，但由于卫星的实际运行轨道和理想轨道总存在一定的偏差，因此，静止卫星并非完全“静止”。根据天线理论，天线主瓣的波束宽度反比于天线的口径，在天线口径较大时，天线主瓣波束会很尖锐，方向性很强，当天线主波束指向卫星的方向稍有偏差，天线增益就会有明显变化，天线口径越大，工作频率越高，这个问题就越严重。45以上因素必然会影响天线精确对准卫星，所以口径较大的地球站天线都必须有一套伺服跟踪系统，以确保天线主波束准确指向卫星。需配置伺服跟踪分系统的地球站：大型陆地固定卫星通信地球站（小型固定站一般不设伺服跟踪设备）陆地移动卫星通信地球站（非手持机）船载移动卫星通信地球站机载移动卫星通信地球站46自动跟踪天线

车载式自动跟踪天线

手提式自动跟踪天线47地球站天线跟踪系统一般有3种跟踪方式：自动跟踪：接收卫星发射的信标信号，使天线自动对准信标信号来的方向；程序跟踪：预测卫星轨道信息驱动天线；手动跟踪：手工移动天线。大中型固定地球站一般采用自动跟踪系统为主，手动跟踪和程序跟踪为辅的方式。根据地球站接收到的卫星所发的信标信号，检测出误差信号，驱动跟踪系统，使天线自动地对准卫星。484950514、变频器上变频器，将中频信号变换为射频信号。下变频器，将射频信号变换为中频信号。射频频率：C波段（上行6GHz/下行4GHz）、Ku波段（上行14GHz/下行12GHz）中频频率：由卫星转发器带宽而定。若带宽较窄(如36MHz)，中频选70MHz若带宽较宽(如72MHz)，中频选140MHz525.3.2中频与基带处理部分

具有调制/解调、编/解码等功能

调制/解调是在IF载波上进行具有复用的功能

535.3.3地面接口与陆地链路

陆地链路的设置和选择地面接口

54图5-19地球站与交换局、用户设备间的陆地链路陆地链路的设置和选择55图4-19微波和光纤两种陆地链路所需投资的比较56地面接口图4-20三种地面接口的示意图57（四）其他类型的地球站TT&C地球站TV上行站和广播中心TV单收站58TT&C地球站59（1）TT&C地球站射频基带处理部分指令子系统测距子系统遥测子系统地面接口单元：用于与SCC接口60（2）SCC卫星运行的神经中枢轨道控制监视卫星的上行和下行链路的通信传输通道61TV单收站DTH系统的家用单收站单个接收机地面有线TV系统的“电缆前端”TVRO多个接收机62图4-23

TVRO天线直径与卫星EIRP的关系63图