衛(wèi)星通信技術的新發(fā)展(Ⅱ)

甘仲民

（接上期）

三、地球站技術

1. 多頻段地球站（終端）

什么是多頻段衛(wèi)星通信終端？

同一部衛(wèi)星通信地球站（終端）可工作于多種頻段，如C，X，Ku，Ka，EHF等，一般至少是其中的雙頻段，典型的有：

C，Ku

X，Ka

Ku，Ka

C，X，Ku

C，Ku，Ka，EHF

……

為什么需要開發(fā)多頻段衛(wèi)星通信地球站（終端）？

軍用前景：首先是軍用的需求，以美軍為例，新一代軍用衛(wèi)星通信包括寬帶、窄帶和高保護系統(tǒng)，工作于UHF，X，Ka，EHF等，加上利用商用的C，Ku頻段，是多頻段、多系統(tǒng)工作的。多頻段地球站將簡約通信設備，有利于作戰(zhàn)部隊的機動和便于隱蔽，更便于在飛機、艦船等空間嚴格受限的場合應用。

民用前景：利用衛(wèi)星中繼的應急通信中，具有多頻段工作功能的車載站，可更方便地利用衛(wèi)星的多種頻率資源，獲得更大的靈活性，保證系統(tǒng)工作的可靠性；在未來的Ka，EHF系統(tǒng)中，可利用較低（C或Ku）頻段作為遇到大雨衰時的備用手段。

實現(xiàn)途徑：主要歸結為天線的射頻系統(tǒng)的多段應用。

（1）利用傳統(tǒng)的拋物反射面天線的多頻段終端

主反射面多頻段共用，而饋源系統(tǒng)具有多頻段結構。圖10是一種艦載雙頻段衛(wèi)星終端的天線和饋源系統(tǒng)實物照片，有關技術參數(shù)見表2。

圖10 艦載雙頻段衛(wèi)星站天線及饋源系統(tǒng)

表2 一種C/Ku雙頻段天線的基本參數(shù)

這種雙頻段地球終端的組成如圖11所示。

圖11 C/Ku雙頻段衛(wèi)星通信地球終端的組成框圖

另一種8.1m雙頻段天線和饋源如圖12所示；其基本性能如表3所示。

圖12 8.1m雙頻段天線和饋源系統(tǒng)

表3 8.1m X/Ka雙頻段天線的基性能參數(shù)

這種天線的兩個頻段的方向圖如圖13所示。

圖13 8.1m雙頻段天線方向圖

值得注意的是，天線主反射面的設計，通常是按單頻段進行優(yōu)化的，多頻段工作時天線效率勢必有所降低，因而將引起接收G/T值和發(fā)射EIRP性能的惡化。

另外，多頻段、大功率發(fā)射工作情況下，無源器件產(chǎn)生的互調(diào)（PIM）干擾是不容忽視的；PIM是由于天饋系統(tǒng)中金屬與金屬之間氧化物接觸形成的半導體結的非線性所引起。

互調(diào)頻率：nf1±m(xù)f2m＝1,2,3,…； n=1,2,3,…

PIM階次：m+n

例如，一種地球站需要同時接收X，Ka頻段（下行）信號，發(fā)射X頻段信號。天線中要解決的一個突出問題是降低無源互調(diào)（PIM）產(chǎn)物電平，以免損害接收機中的低噪聲放大器或造成對有用信號的干擾。舉例說，若f1=7.9GHz，f2=8.4GHz，當n=9，m=6時，fIM=20.7GHz，恰好落在Ka接收頻段內(nèi)，造成對此頻帶接收信號的干擾。又如，在C/Ku雙頻段天線系統(tǒng)中，若f1=5.85GHz，f2=5.87GHz，f1+f2=11.72GHz，恰好落在Ku頻段接收帶內(nèi)，也造成對此頻帶接收信號的干擾。

（2）多頻段環(huán)焦天線技術

在中、小型雙反射面天線中，為了避開饋源對副反射面的微波射線的阻擋，采用環(huán)焦天線將是好的選擇。環(huán)焦天線與傳統(tǒng)的拋物面天線不同之處是，前者用焦環(huán)取代了后者的焦點。一種環(huán)焦雙反射器的天線構如圖14所示。

圖14 環(huán)焦雙反射面天線的基本構成

環(huán)焦天線的主要優(yōu)點有：

⊙ 饋源喇叭處于副反射面反射場輻射不到的位置，因而消除了副反射面反射場對饋源的影響，從而降低了天線的駐波比。

⊙ 饋源和副反射面距離近，可減少副反射面直徑，從而減少了副反射面的遮擋；副反射面邊緣的照射電平可以取得很低，減少繞射和漏輻射，獲得低旁瓣性能和高的天線效率。

作為例子，一種口徑為1.5m三頻段天線的具體要求是：

C頻段：可工作于線極化和圓極化；G/T≥13.0dB/K；最大功率2kW；軸比≤2.0dB；旁瓣滿足INTELSAT模板要求。

X頻段：工作于圓極化；G/T≥19.0dB/K；最大功率2kW；軸比≤1.5dB；旁瓣滿足DSCS模板要求。

Ka頻段：工作于圓極化；G/T≥24.0dB/K；最大功率0.1kW；軸比≤1.5dB（收）；1.0dB（發(fā)）；旁瓣滿足INTELSAT模板要求。

根據(jù)使用要求：主反射面是三頻段共用的，C頻段使用單獨的饋電裝置（包括饋源和副反射面），X和Ka則是共用饋電裝置（包括饋源和副反射面），根據(jù)需要此二饋源可更替。這兩種饋電裝置如圖15所示。

圖15 三頻段饋源的結構

（3）多頻段天線頻率選擇表面技術

將不同頻段頻率選擇表面重疊堆棧，彼此互不影響，可獲得多頻段天線性能。一種工作于L，S和X三頻段利用頻率選擇表面構成的天線如圖16所示。圖中最里層的是傳統(tǒng)的X頻段面天線，中間為S頻段面天線，最外層為L頻段面天線。在這些頻率選擇表面中，L，S頻段面天線對X頻段電磁波是透明的；L頻段面天線對S頻段電磁波是透明的。天線可一起安裝在同一個天線罩內(nèi)，可同時跟蹤三顆對地靜止衛(wèi)星或極軌衛(wèi)星，當然也可瞄準一顆三頻段工作的衛(wèi)星，這種天線還具有重量輕、成本低等突出優(yōu)點。

圖16 三頻段頻率選擇面天線的構成

2. 全數(shù)字多頻段RF收發(fā)信機

如前述，受A/D,D/A速率所限，目前SDR是在中頻或較低的射頻上實現(xiàn)的。然而，由于微電子技術的飛速發(fā)展，極高速的混合微電子器件可在高達200GHz的頻率上工作，使得EHF這樣的衛(wèi)星終端的RF收發(fā)信機也能實現(xiàn)全數(shù)字化，這為SDR在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應用成為可能。圖17給出了數(shù)字RF多衛(wèi)星、多頻段、多信道衛(wèi)星收發(fā)信機的組成框圖。其中接收部分的組成如圖18所示。這里，數(shù)字交換矩陣提供A/D，D/A之間的交換，A/D，D/A分別與各頻段天線連接，從而獲得多頻段的靈活應用，可編程的、與頻率無關的模塊處理單元，它們可反復地提供所需數(shù)目的信道，高速模/數(shù)變換器（A/D）配置在接收接口，將RF接收信號變換成數(shù)字信號，進而作數(shù)字信號處理。類似地，在發(fā)射端，信道化數(shù)字RF信號變換為模擬信號，送給功放，再傳送到發(fā)射天線。

圖17 數(shù)字RF多衛(wèi)星、多頻段、多信道衛(wèi)星收發(fā)信機的組成

圖18 多頻段數(shù)字RF接收機簡化框圖

由圖17和圖18可見，這里的收發(fā)信機硬件是由若干（n個）A/D，D/A，m個信道化單元和n×m開關矩陣組成，其中n等于衛(wèi)星頻段數(shù)（如X，Ka和EHF，n=3）。每一A/D（D/A）器件包括帶通、過采樣δ-Σ調(diào)制器，將所有衛(wèi)星頻段信號數(shù)字化。數(shù)字信道化單元是與頻率無關的，在任何衛(wèi)星頻段、任意中心頻率和對任何帶寬是完全可編程的，從而具有極大的靈活性。為了從每一頻段提取多條信道，相應A/D調(diào)制器可同時用于多個獨立的信道化單元。開關矩陣可對應于衛(wèi)星頻段（如X，Ka和EHF）的ADC輸出選擇路由到信道化單元集中去。信號的拷貝和選擇路由是在數(shù)字域進行的，不會產(chǎn)生損失或惡化。所需信道數(shù)分配到每一頻帶，是通過開關矩陣編程按需適時動態(tài)地改變的。數(shù)字信道化單元輸出一般為正交的I（同相）和Q（正交）分量，通過復數(shù)字運算產(chǎn)生，為多比特碼字，比特數(shù)由過采樣率決定。

類似地，在發(fā)射端，通過信道化濾波器、數(shù)字上變頻器、發(fā)射開關矩陣和數(shù)-模變換（DAC）來獲得所需要的功能。此外，數(shù)字功率放大器預失真線性器可在RF上集成到多波束、多頻段、多信道終端中去，使功放高效、線性地工作。

這樣，在所提出的方案中，除功放外，終端硬件可實現(xiàn)全數(shù)字化，為SDR的應用奠定了基礎。

為實現(xiàn)上述方案，需引入一些新的技術。其中，超導在ADC中具有低噪聲性能和高的靈敏度。據(jù)悉，ADC在低溫下，超過20GHz的頻率具有低于25K的噪聲溫度，而常規(guī)的低噪聲放大器的噪聲溫度為120～130K。因而采用前者可使G/T值獲得2～4dB的改善，或終端天線尺寸可降低20%～35%。

關于ADC，Nyquest速率為10MB/s，用14.5比特抽樣時，鐘速率為30GHz。

由于功放的非線性可能導致信號的失真，傳統(tǒng)的補償方法是使用預失真均衡器，它是在基帶上進行的。但因傳統(tǒng)半導體性能的限制，基帶處理只能對弱的非線性有效。本方案中，提出了在RF波形上進行處理來克服功放非線性的影響。其理由是：一是對功放強的非線性也能產(chǎn)生接近理想的校正；二是只需用較簡單的信號處理電路。尤其是在發(fā)射端也采超導時，可對RF載波實行近實時的數(shù)字自適應線性化處理，多載波工作時，可在接近功飽和點工作。這樣，可使EIRP增加3～6dB。同時，一個較小的功放可覆蓋寬帶寬、功耗又很低，大大地降低了終端成本。

3. 應用舉例：全數(shù)字多頻段RF收發(fā)信機在HC3 GRA中的應用

HC3 GRA是美國基于采用公共硬件標準的政府參考框架，它是利用一個公共集成層來互連和控制各功能模塊，如圖19所示。其中每個模塊可被取代或更新，而無需額外的終端集成或開發(fā)新的軟件驅(qū)動器。每一個模塊如核心調(diào)解器或基帶接口可單獨更換而不涉及其他模塊。

圖19 HC3 GRA典型的模塊開放系統(tǒng)框架

圖20給出了全數(shù)字多頻段RF收發(fā)信機在HC3 GRA終端的應用框架。其中全數(shù)字RF方案提供了HC3 GRC天線群和RF模塊的全部功能，并通過RF開關接入到單個多頻段、多信道設備。RF模塊是全可編程和通用的。它可應用到各種平臺，包括采用不同標準頻段（C,X,Ku,Ka和EHF）的固定站和動中通終端，而無需作任何的修改或重構。除功放及與天線連接外，消除了RF與IF的集成。比較圖19和圖20，我們看到，在應用全數(shù)字多頻段RF收發(fā)信機的方案中，一個內(nèi)部開關矩陣能夠動態(tài)地選擇路由，到多個對應于不同衛(wèi)星頻段的寬帶ADC或DAC的數(shù)字RF輸出，再到達公共信道化單元集，每一單元支持一個獨立的調(diào)解器?？蓜討B(tài)地按需分配到每一頻帶的信道數(shù)，即信道/調(diào)解器資源是可以動態(tài)分配到執(zhí)行任務的各衛(wèi)星頻段、信號波形和通信網(wǎng)絡（進一步比較參見圖21和圖22）。

圖21 HC3 GRA典型的開關和路由框圖

圖22 采用數(shù)字RF設計的HC3 GRA開關和路由框圖

（未完待續(xù)）