星载和地球站设备课件

第5章

星载和地球站设备15.1卫星通信系统组成5.2星载设备5.3通信地球站设备第5章星载和地球站设备25.1卫星通信系统组成图5-1星载和地球站设备35.2.1星载天线喇叭天线（全球波束天线）抛物面天线（点波束天线）赋型天线多波束天线56中心馈源和偏置馈源的抛物面反射天线79多波束卫星天线的典型方框图10卫星天线系统示意图11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。13透明转发器14处理转发器主要功能：解调再生星上交换15SS-TDMA转发器的组成星上交换17INTELSATVI卫星的覆盖图和采用微波交换矩阵的SS-TDMA星上交换示意图SWZ18转发器的数量越多，卫星的通信能力就越大。小容量通信卫星：星载转发器少于12个，功率小于1000瓦的通信卫星中容量通信卫星：有24个转发器，功率在1000~3000瓦之间大容量通信卫星：有48个转发器，功率在3000~7000瓦之间超大容量通信卫星：转发器多于48个，功率在7000瓦以上19215.3通信地球站设备5.3.1地球站的种类地球站是卫星通信的重要组成部分，其作用是向卫星发送和接收来自卫星的信号。目前国际上通常根据地球站天线口径尺寸及G/T值大小将地球站分为A、B、C、D、E、F、G、Z等各种类型。A、B、C三种是大型站，称为标准站，用于国际通信，适合各种业务类型。22D1，D2主要是用于小型站。E和F分别工作在Ku波段和C波段，又分为E1、E2、E3和F1、F2、F3等类型。E1，F1，称为小型站，它们的业务容量较小，一般用于商用系统（IBS）。E2，E3和F2，F3又称为中型站，是为大城市和大企业之间提供通信业务的。G是国际租赁专线，一般用于VSAT或卫星电视。Z是国内电路，租赁专线。23地球站主要单元设备25射频部分天线高功率放大器低噪声放大器变频器26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）

2930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31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。3233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

34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3536副反射面(旋转双曲面)馈源主反射面37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3839②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。因为其馈源不在天线反射面与卫星之间，得以避免了馈源对卫星电波信号的遮挡，所以这种天线的接收效率比较高。由于偏馈天线具有易于安装、节省空间、方向图好，效率较高等优点，目前在家庭和小用户中广泛采用。40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4142偏馈天线43二次反射式天线（多曲面天线）可将卫星信号反射到多个馈源内，从而实现一面天线多颗卫星的同时接收。抛物面反射面多个馈源44球形反射面天线

使用球形反射面天线的目的就是可以通过一副天线来进行多星接收。

安装多个馈源，并根据所接收卫星的方向适当地调整各馈源的位置。2745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。46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47自动跟踪天线车载式自动跟踪天线手提式自动跟踪天线48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。49505152532、高功率放大器(HPA)卫星通信由于收发双方距离较远，传输损耗较大，为了使输出功率满足传输损耗的要求，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。为减小传输损耗，HPA需放在离天线比较近的射频机房内，传输线采用波导。54高功率放大器输出功率带宽功放管行波管放大器TWTA中50~800W水冷:10kw较宽C波段：500MHzKu和Ka波段:1000MHz真空管速调管放大器KPA大1KW以上较窄50-100MHz真空管固态功率放大器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55速调管功放的应用已逐渐被行波管功放所取代，目前主要使用行波管放大器TWTA和固态功率放大器SSPA。TWTA：大功率，高频率；SSPA：线性好、寿命长、省电、维护方便。近些年，随着砷化镓固态技术和功率合成技术的发展，场效应单管功率放大器功率越来越高，在此基础上，出现了很多采用多级功率合成的大功率固态放大器产品。在很多场合功率较低的SSPA已经逐渐代替大功率的真空管功率放大器。56SSPA典型的维护措施检查功放输出功率、反射功率、各种电压、温度等参数。定期对功放的风道进行检查，清洗滤网，保持进风口和出风口清洁，检查功放的散热风机风力是否强劲，大约每五年更换一次风机。年检：将功放关机，进行线缆检查、内部除尘、功能和技术指标测试。57室外固态小功率放大器KU波段(8W、16W、20W)5859603、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。61卫星地球站目前所用的低噪声放大器为砷化镓场效应管级联放大器。通常标准地球站要求前端放大器增益为50~60dB，单级放大器无论从增益还是输出功率而言都不能满足系统使用要求，所以一般是由多级微波场效应管放大器级联组成。卫星通信中地球站为了保证通信信号的连续性，所安装的低噪声放大器通常为1：N热备份形式，即低噪声放大器分系统由两个或多个低噪声放大器，倒换开关和控制单元组成。626364KU波段卫星天线6566LNA的安装：为免微弱的卫星信号因传输路径过长而淹没在噪声中，低噪声放大器一般都安装在天线后的高频箱内。LNA和室内接收机之间的连接：LNA不包括下变频器，则LNA和接收机内一般采用波导连接。LNA包括下变频器，则LNA和接收机之间可用同轴电缆连接。67天线系统与机房的连接684、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140MHz69可分为一次变频：从中频(如70MHz)直接变到微波射频(如6GHz)。设备简单，但不利于宽带系统实现，适合小容量的小型地球站二次变频：从中频(如70MHz)先变到较高的中频(如1000MHz)，然后再由此较高的中频变到微波射频(如6GHz)。电路较复杂，但调整方便，易于实现宽带要求，广泛用于大容量的大中型地球站中。70输入信号频率：3625~4200MHz混频器Ⅰ：4665~5240MHz输出信号：1040MHz混频器Ⅱ：1110MHz例：C波段二次下变频器(ComtechDT-4503)71带宽是上变频器和下变频器的性能指标之一。变频器带宽有射频和中频带宽两种含义。射频带宽是指变频器覆盖射频带宽的能力，即通过改变上（下）变频器的本振频率以实现发射（接收）整个射频频带内的任一载波。C波段频率范围较窄，大约500MHz左右，因此变频器射频带宽一般就是C波段带宽。Ku波段频率范围较宽，大约2GHz左右，若只用一种本振频率无法覆盖如此广的范围，通常采用不同的本振频率。72中频带宽决定于变频器覆盖各载波信号带宽的能力，也就是变频器在中频侧的信号带宽。36MHz带宽的卫星转发器，变频器中频带宽选为36MHz或40MHz，中频频率70MHz，频率范围7020MHz。转发器带宽为72~77MHz是，工作带宽选为80MHz，中频频率140MHz，频率范围一般14040MHz。73中频和基带处理部分在VSAT中，经常以室内单元的形式合成一体。74室内单元75发送链路，通过用户数据接口模块接收用户数据（基带信号）；进入IFU（内部成帧单元）的发送部分组帧；定帧后的数据首先进行信道编码，完成扰码、差分编码、FEC（前向纠错）编码后，进入发送滤波器；滤波后的信号进入调制器，经PSK调制到IF载波上，经IF处理单元处理后输出。接收链路，IF输入信号首先进入IF处理器，完成放大、AGC和滤波；然后进入解调器，经PSK解调，输出基带数据信号；之后进行信道译码，处理后的数据通过IFU去帧，最后经用户数据接口模块送到用户终端。76监控分系统监控设备的功能就是监视系统内各种设备的工作状态（如HPA、LNA等），发生故障时能告警及故障处理。小型地球站一般没有专门的监控设备。监控分系统一般由监视设备、控制设备和测试设备等组成。77电源分系统地球站的大功率发射机所需电源必须是定电压、