國(guó)外通信衛(wèi)星靈活有效載荷技術(shù)與趨勢(shì)研究（上）

朱貴偉 李博（北京空間科技信息研究所）

隨著容量性能、設(shè)計(jì)壽命的不斷提升，通信衛(wèi)星在軌工作期間如何更加高效地服務(wù)不同區(qū)域、不同時(shí)域的不同應(yīng)用需求，提升轉(zhuǎn)發(fā)器利用效率，提高收入回報(bào)，是通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商近年來(lái)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，靈活有效載荷的概念應(yīng)運(yùn)而生。2008年，歐洲航天局（ESA）組織召開(kāi)第一屆先進(jìn)靈活通信載荷工作會(huì)后，工業(yè)界開(kāi)始大規(guī)模重視該領(lǐng)域的發(fā)展，并取得了較多進(jìn)展。

1 靈活有效載荷技術(shù)體系

通信衛(wèi)星質(zhì)量、功率和結(jié)構(gòu)空間是載荷靈活性的最大約束條件，傳統(tǒng)的衛(wèi)星靈活性設(shè)計(jì)主要通過(guò)星上關(guān)鍵通信設(shè)備的冗余配置實(shí)現(xiàn)，這樣就會(huì)產(chǎn)生額外的星上資源開(kāi)銷(xiāo)，從而導(dǎo)致靈活性和整星通信容量之間的矛盾。因此，隨著技術(shù)的演進(jìn)，衛(wèi)星靈活性在實(shí)現(xiàn)途徑上一個(gè)很重要的原則就是不過(guò)度增加載荷負(fù)擔(dān)。

靈活有效載荷關(guān)鍵技術(shù)體系

目前來(lái)看，根據(jù)任務(wù)類(lèi)型和需求的不同，國(guó)外對(duì)通信衛(wèi)星載荷各層級(jí)的靈活性，主要依靠對(duì)傳統(tǒng)星上通信鏈路所涉及各個(gè)單機(jī)/元器件環(huán)節(jié)的技術(shù)改進(jìn)，而非增加冗余度的方式實(shí)現(xiàn)，可分為天線(xiàn)、射頻前端、中頻/基帶處理單元三大部分，本文據(jù)此對(duì)靈活有效載荷涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理。

總體來(lái)看，目前各技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展水平和成熟度差別較大，而且這些靈活度的作用和效果各不相同。

1）天線(xiàn)部分側(cè)重波束覆蓋能力的靈活性，主要利用傳統(tǒng)無(wú)源反射面天線(xiàn)的機(jī)械/電調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)波束移動(dòng)與尺寸縮放，利用有源陣列天線(xiàn)和波束成形網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)波束位移、形變及數(shù)量調(diào)節(jié)等。

2）射頻前端部分對(duì)應(yīng)頻譜管理和功率分配的靈活性，主要利用靈活變頻器以及帶寬、中心頻點(diǎn)可調(diào)濾波器，改變單個(gè)信道的頻譜特性，而可步進(jìn)式調(diào)整的功率放大器與上述設(shè)備配合，能夠?qū)I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸速率等進(jìn)行按需調(diào)節(jié)。

3）中頻/基帶處理單元部分對(duì)應(yīng)鏈路互聯(lián)互通與協(xié)議體制調(diào)節(jié)方面的靈活性，分別利用數(shù)字信道化器在中頻進(jìn)行精細(xì)分路和交換，利用完全再生式的星載處理器進(jìn)行解調(diào)、譯碼后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分組交換路由等，支持相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。

從當(dāng)前的系統(tǒng)應(yīng)用情況來(lái)看，天線(xiàn)與射頻部分實(shí)現(xiàn)的靈活效果直接、可見(jiàn)，而且在各類(lèi)系統(tǒng)中已得到一些初步的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)途徑也相對(duì)成熟，因此更受傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的重視?；ヂ?lián)互通與協(xié)議體制靈活度則依賴(lài)于不同程度的星上處理能力，代表了更高層次的載荷要求，是未來(lái)地球靜止軌道（GEO）通信衛(wèi)星的主要發(fā)展方向。此外，國(guó)外近年來(lái)也在基于軟件無(wú)線(xiàn)電的靈活載荷方面投入了較多的研究。本文主要結(jié)合各國(guó)在相應(yīng)技術(shù)方向的發(fā)展情況和典型產(chǎn)品進(jìn)行分析。

2 靈活有效載荷關(guān)鍵技術(shù)

靈活的天線(xiàn)技術(shù)

可調(diào)節(jié)的天線(xiàn)系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)靈活的波束覆蓋能力。此類(lèi)靈活天線(xiàn)既可以是無(wú)源天線(xiàn)，也可以是有源天線(xiàn)。無(wú)源天線(xiàn)定義為單個(gè)輻射單元，對(duì)應(yīng)單通道單功率放大器。無(wú)源天線(xiàn)既可以是機(jī)械可重構(gòu)，也可以是電控重構(gòu)模式。而有源天線(xiàn)定義為多個(gè)輻射單元且每個(gè)輻射單元使用相應(yīng)的功率放大裝置。

（1）傳統(tǒng)無(wú)源反射面天線(xiàn)

天線(xiàn)指向調(diào)節(jié)是控制覆蓋位置靈活性的重要途徑，但傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星對(duì)應(yīng)寬波束或賦球波束。天線(xiàn)指向調(diào)節(jié)主要用于校正實(shí)際覆蓋區(qū)域與設(shè)計(jì)目標(biāo)的吻合度，因此調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的幅度限制較大，波束位置可在小范圍移動(dòng)。針對(duì)高機(jī)動(dòng)性用戶(hù)（如軍用偵察無(wú)人機(jī)等）的需求，一些衛(wèi)星設(shè)計(jì)有可移動(dòng)點(diǎn)波束，波束位置可以在衛(wèi)星的視場(chǎng)范圍內(nèi)任意移動(dòng)。

勞拉空間系統(tǒng)公司機(jī)械靈活天線(xiàn)在1倍（左）、1.3倍（右）焦距對(duì)應(yīng)波束覆蓋情況

美國(guó)勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L）設(shè)計(jì)出一種雙反射面機(jī)械可重構(gòu)天線(xiàn)，能產(chǎn)生一個(gè)圓形或者橢圓形波束，其波束中心不僅可以通過(guò)控制主反射面沿軸的轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到不同指向的功能，而且如果波束是橢圓形波束要求，還可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)副反射面來(lái)實(shí)現(xiàn)橢圓波束旋轉(zhuǎn)的目的。另一方面，該公司設(shè)計(jì)的上述天線(xiàn)還可通過(guò)位于調(diào)節(jié)軸（反射面焦點(diǎn)與反射面中心連線(xiàn)）上的機(jī)械控制裝置，調(diào)整饋源與反射面距離，從而改變焦距，可以將天線(xiàn)的波束寬度從1°最大擴(kuò)張至7°。但這種使用機(jī)械調(diào)整的可重構(gòu)天線(xiàn)的靈活度相對(duì)較低，只能實(shí)現(xiàn)一定比例的縮放波束大小，但波束形狀無(wú)法按照需要任意改變。

（2）有源陣列天線(xiàn)

依靠陣列天線(xiàn)配合波束形成器，可以實(shí)現(xiàn)更大靈活度波束形狀和數(shù)量調(diào)節(jié)，有源陣列天線(xiàn)主要負(fù)責(zé)波束的產(chǎn)生和放大，波束成形器則主要通過(guò)控制輻射單元的幅度、相位與開(kāi)關(guān)來(lái)改變波束。目前國(guó)外集中關(guān)注兩類(lèi)天線(xiàn)，即陣列饋電反射面天線(xiàn)（AFR）和直接輻射陣列天線(xiàn)（DRA）。

1）陣列饋電反射面天線(xiàn)。該天線(xiàn)主要依賴(lài)位于反射器焦平面的前置/偏置饋源陣列來(lái)形成單個(gè)寬波束或多個(gè)點(diǎn)波束，其靈活性實(shí)現(xiàn)是通過(guò)與饋源陣列對(duì)應(yīng)的波束形成網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制和改變波束形狀與數(shù)量。在應(yīng)用方面，對(duì)于單波束情況，可以利用多個(gè)橫向偏焦饋源來(lái)獲得符合特殊要求的天線(xiàn)方向圖，從而改變波束的形狀。目前，該技術(shù)已在工程實(shí)踐中得到了較為成熟的應(yīng)用。

對(duì)于多波束覆蓋情況下，最窄的點(diǎn)波束決定了天線(xiàn)的口徑，目標(biāo)覆蓋區(qū)域的尺寸則決定了饋源陣的大小。設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮在饋源陣子數(shù)量和波束方向性、旁瓣控制和覆蓋性能之間進(jìn)行權(quán)衡。歐洲空客防務(wù)與航天公司（ADS）設(shè)計(jì)出一種有源靈活多波束反射面天線(xiàn)系統(tǒng)。該天線(xiàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)波束輻射元的激勵(lì)都是完全獨(dú)立的，此外波束形成網(wǎng)絡(luò)具備可重構(gòu)能力。在反射器的指向發(fā)生偏移的情況下，傳統(tǒng)固定式波束形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的邊緣波束形狀失真、信號(hào)強(qiáng)度顯著降低的現(xiàn)象，而具備可重構(gòu)能力的波束形成網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整后，邊緣的覆蓋情況有了明顯改善。

指向失誤情況下傳統(tǒng)固定多波束覆蓋（左）與靈活多波束校正覆蓋（右）情況

總體而言，此類(lèi)天線(xiàn)用于靈活覆蓋的優(yōu)勢(shì)在于：①天線(xiàn)中所用的可變功分器（VPD）和可變相移器（VPS）等控制元件在通信衛(wèi)星中已得到成熟應(yīng)用，該方案風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低；②相比傳統(tǒng)模式下只能通過(guò)增加冗余天線(xiàn)來(lái)滿(mǎn)足需求，靈活的在軌波束賦形能力可以大幅節(jié)省星上空間。但其弊端在于：①與傳統(tǒng)天線(xiàn)配置模式相比，高功率波束成形網(wǎng)絡(luò)存在不可忽略的損耗，因此需要更大的功率才能達(dá)到相同的等效全向輻射功率（EIRP），這也導(dǎo)致了效率上的折損；②雖然理論上有可能實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用，但實(shí)際中，因?yàn)椴ㄊ尚尉W(wǎng)絡(luò)在與饋源、雙工器封裝時(shí)的復(fù)雜度較大，導(dǎo)致絕大多數(shù)天線(xiàn)必須采用收發(fā)分置。

原阿斯特留姆公司研制的Ku頻段DRA天線(xiàn)結(jié)構(gòu)（左）和8×8天線(xiàn)輻射元陣列樣機(jī)（右）

2）直接輻射陣列天線(xiàn)。該天線(xiàn)無(wú)需反射器，利用天線(xiàn)輻射元陣列和波束形成網(wǎng)絡(luò)直接形成點(diǎn)波束和賦形波束，通過(guò)移相器改變相位、功率分配網(wǎng)絡(luò)改變幅度后控制波束形狀，形成連續(xù)或非連續(xù)性的覆蓋。對(duì)于多波束情況，主要存在2種波束形成和調(diào)節(jié)機(jī)制，一是每個(gè)波束對(duì)應(yīng)1個(gè)/多個(gè)陣元，具備相互獨(dú)立的波束形成和指向控制網(wǎng)絡(luò)，這種情況下天線(xiàn)的質(zhì)量和復(fù)雜程度正比于需要同時(shí)產(chǎn)生的波束數(shù)量，當(dāng)需要同時(shí)產(chǎn)生的波束數(shù)較多時(shí)，就不太實(shí)用；二是所有波束共享1個(gè)公共的天線(xiàn)輻射元陣列，通過(guò)巴特勒矩陣在空間產(chǎn)生多個(gè)波束。從技術(shù)應(yīng)用情況來(lái)看，國(guó)外目前僅在一些軍用衛(wèi)星和高復(fù)雜度的商業(yè)衛(wèi)星上采用了此類(lèi)天線(xiàn)，如“銥”（Iridium）衛(wèi)星，造價(jià)昂貴。

歐洲原阿斯特留姆公司（Astrium）研制的名為“直接輻射陣列電調(diào)天線(xiàn)”（DRA-ELSA）的Ku頻段（14.25～14.5GHz）接收天線(xiàn)，采取上述第一種靈活賦形機(jī)制，由約100個(gè)輻射元經(jīng)過(guò)25:1的對(duì)應(yīng)關(guān)系形成4個(gè)相互獨(dú)立點(diǎn)波束，波束的標(biāo)準(zhǔn)配置寬度為0.75°。根據(jù)任務(wù)需求，通過(guò)地面指令控制輻射元陣列的相位/幅度激勵(lì)配置，達(dá)到波束形狀可變而且能夠在衛(wèi)星可見(jiàn)視場(chǎng)范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)指向，具備靈活的覆蓋能力。整個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)質(zhì)量約60kg，所需功耗低于60W，輻射元陣列先按照2×2結(jié)構(gòu)制成子陣列塊，然后再組裝為整個(gè)陣列板。

DRA-ELSA天線(xiàn)按照不同任務(wù)需求，在美洲區(qū)域形成不同形狀和位置的靈活波束賦形示意圖

總體而言，直接輻射陣列天線(xiàn)用于靈活覆蓋的優(yōu)勢(shì)在于：①可靠性高，所有的輻射元都可用于形成所有波束，在某個(gè)射頻通道失效或者期間器件老化導(dǎo)致波束指向不準(zhǔn)的情況下，重新校準(zhǔn)、糾錯(cuò)能力較好；②抗干擾能力強(qiáng)，可精密控制天線(xiàn)輻射方向圖，可以實(shí)現(xiàn)低副瓣、自適應(yīng)調(diào)零等功能，抑制各種上行有意敵對(duì)和無(wú)意干擾；③具有空間功率合成能力，天線(xiàn)每個(gè)輻射單元對(duì)應(yīng)1個(gè)功放，多個(gè)輻射單元功放在空間合成的總功率比單個(gè)發(fā)射機(jī)的功率大得多，可以實(shí)現(xiàn)更高的EIRP值。

此類(lèi)天線(xiàn)的主要弊端：①結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴。微波組件如發(fā)射/接收（T/R）組件、移相器、微波網(wǎng)絡(luò)數(shù)量眾多。②功耗和熱耗較大，由于天線(xiàn)中射頻通道數(shù)量較多，衛(wèi)星應(yīng)用不同于地面系統(tǒng)應(yīng)用，需要衛(wèi)星提供較大的質(zhì)量及功率資源。

數(shù)字/模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)性能特點(diǎn)對(duì)比

3）波束成形網(wǎng)絡(luò)。如前所述，波束成形網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)有源陣列天線(xiàn)靈活性的核心，目前主要存在模擬和數(shù)字2種波束形成方案。在單波束情況下，兩者優(yōu)劣并不明顯。但在多波束應(yīng)用中，數(shù)字波束成形技術(shù)更利于未來(lái)構(gòu)建通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的靈活載荷架構(gòu)。此外可形成的波束數(shù)量理論無(wú)上限，主要受饋源/輻射元陣列的數(shù)量約束。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)是衛(wèi)星提供超高通量的關(guān)鍵所在。而模擬波束成形技術(shù)所能形成的波束數(shù)量相對(duì)有限（一般小于32個(gè)），但技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較低，可以依靠跳波束技術(shù)實(shí)現(xiàn)容量的倍增，如典型的32個(gè)瞬時(shí)波束在8倍跳變下，可以最終覆蓋多達(dá)256個(gè)不同的潛在區(qū)域。

靈活的射頻技術(shù)

在射頻部分，靈活性主要體現(xiàn)在頻率轉(zhuǎn)換、帶寬以及功率特性等方面，依靠處理鏈路中的變頻器、濾波器和放大器的調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)。

（1）靈活變頻器

變頻器是衛(wèi)星上下行頻率轉(zhuǎn)換的重要設(shè)備，也是實(shí)現(xiàn)頻譜靈活性的關(guān)鍵。變頻器主要由本地晶振、混頻器等組成，分為傳統(tǒng)模擬變頻器和數(shù)字變頻器2種。

美國(guó)勞拉空間系統(tǒng)公司結(jié)合當(dāng)前衛(wèi)星不斷向Ku/Ka等高頻段應(yīng)用拓展的背景，針對(duì)傳統(tǒng)模擬變頻器特點(diǎn)，提出了實(shí)現(xiàn)更寬頻率的適應(yīng)性和敏捷調(diào)整能力的方案。按照該公司的方案，上述變頻器的部件都要進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整，①要采用靈活的本地晶振，通過(guò)使用可選、可控本地晶振，使得工作本振頻率在多個(gè)本振源之間實(shí)現(xiàn)快速的切換；②采用性能優(yōu)化的混頻器，以改善寬頻帶工作時(shí)的雜波性能；③此外，要采用寬帶的低噪放大器（LNA），使得信號(hào)可以兼容更寬的帶寬。通過(guò)上述方案，可實(shí)現(xiàn)寬頻帶內(nèi)的靈活頻譜方案調(diào)整，但需要指出的是，多個(gè)備選本振源將帶來(lái)較大冗余成本，從而增大載荷負(fù)擔(dān)。

勞拉空間系統(tǒng)公司可選本振的靈活頻率轉(zhuǎn)換器（側(cè)面與俯視視圖）

歐洲泰雷茲－阿萊尼亞航天公司（TAS）自2008年6月起，開(kāi)始在通信系統(tǒng)預(yù)先研究－3～4（ARTES－3～4）計(jì)劃下針對(duì)寬帶衛(wèi)星開(kāi)展敏捷/靈活有效載荷部件研究，研制出了敏捷/靈活頻率變換器、頻率生成單元等多個(gè)工程樣機(jī)。其敏捷/靈活頻率變換器采用兩次變換的策略，輸入頻率為Ku頻段（13～14GHz），輸出頻率為Ka頻段（19～21.2GHz），輸入輸出的頻率都是靈活可選的，此外，通過(guò)對(duì)中頻的信道濾波器進(jìn)行設(shè)置也可以靈活改變信道的帶寬。頻率生成單元能夠產(chǎn)生多個(gè)參考頻率，且能夠?qū)崿F(xiàn)較好的相位噪聲性能，支持有效載荷在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的頻率變換方案。

（2）靈活濾波器

靈活濾波器的概念是指濾波器在不做硬件變動(dòng)條件下，通過(guò)外加條件的改變來(lái)配置工作模式，實(shí)現(xiàn)中心頻率、帶寬、零點(diǎn)等特性的實(shí)時(shí)調(diào)控，從而適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。國(guó)外對(duì)于地面通信系統(tǒng)的靈活濾波器的研究起步較早，技術(shù)解決途徑主要包括采用變?nèi)莅雽?dǎo)體二極管、對(duì)直流電壓變化敏感的釔鐵石榴石（YIG）和鐵氧體等鐵磁體振蕩器以及壓電體、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等作為調(diào)諧元件，但總體而言，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域開(kāi)展研究與應(yīng)用的極少。

目前來(lái)看，國(guó)外主要以歐洲泰雷茲－阿萊尼亞航天公司為代表，在衛(wèi)星靈活濾波器領(lǐng)域與學(xué)術(shù)界開(kāi)展了一些合作研究。

射頻微機(jī)電濾波器是一種將電容、電感、開(kāi)關(guān)等無(wú)源器件單片集成而得到的功耗低、線(xiàn)性度高的電調(diào)濾波器。泰雷茲－阿萊尼亞航天公司研制的濾波器采用了微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)和電容組合而成的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)作為調(diào)諧元件，通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)來(lái)改變開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的電容值，從而改變?yōu)V波器的中心頻率。由于微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)的數(shù)量決定了整個(gè)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的可變?nèi)葜禂?shù)量，所以這種濾波器的中心頻率是有限個(gè)離散的頻率點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是中心頻率的可調(diào)范圍比較大。下圖給出了該研究得到的一種基于氧化鋁的2GHz調(diào)諧濾波器，可以實(shí)現(xiàn)50%的中心頻率（共9種中心頻率工作模式，調(diào)諧范圍1.4～2.4GHz，步長(zhǎng)約0.1GHz）與帶寬調(diào)整幅度，而且具備小尺寸、低損耗的特點(diǎn)。

泰雷茲－阿萊尼亞航天公司與法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）研制的RF-MEMS調(diào)諧濾波器（左）及中心頻率調(diào)整圖（右）

基于基片集成波導(dǎo)（SIW）陶瓷的調(diào)諧濾波器是另一種解決途徑。基片集成波導(dǎo)技術(shù)主要通過(guò)在上下面為金屬層的介質(zhì)基片里，利用相鄰很近的金屬化通孔陣列形成電壁，從而構(gòu)成具有低損耗、低輻射等高品質(zhì)因數(shù)特性的新型導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。泰雷茲－阿萊尼亞航天公司開(kāi)發(fā)的該濾波器主要計(jì)劃通過(guò)可變?nèi)莸腜IN二極管對(duì)開(kāi)路枝節(jié)進(jìn)行切換就改變諧振器間的耦合，從而實(shí)現(xiàn)不同的帶寬。但目前仍處于研究階段，尚未有工程樣機(jī)和應(yīng)用對(duì)外公布?？傮w而言，靈活的濾波器對(duì)于星上頻率方案的管理和調(diào)整十分重要，是實(shí)現(xiàn)載荷靈活性的關(guān)鍵設(shè)備之一。

（3）靈活功率放大器

靈活的功率管理主要依靠功率可調(diào)放大器以及多端口放大器（MPA）實(shí)現(xiàn)。

1）功率可調(diào)放大器。行波管放大器（TWTA）是典型通信衛(wèi)星載荷的關(guān)鍵部分，也是使用量最多的單機(jī)，一般而言，星上電源功率的80%都供給行波管放大器，其技術(shù)特性對(duì)衛(wèi)星整體運(yùn)行效率影響極大。功率可調(diào)行波管放大器的特征是，它在不同功率電平下均可以飽和狀態(tài)工作，以獲得穩(wěn)定的功率輸出及對(duì)輸入功率的不敏感性，放大器的效率保持在較高的水平。其實(shí)現(xiàn)主要依靠?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)螺旋線(xiàn)的行波管、電子功率調(diào)節(jié)器（EPC）和帶增益補(bǔ)償?shù)木€(xiàn)性通道放大器（LCAMP）的配合，原理是通過(guò)功率調(diào)節(jié)器利用指令控制放大器陰極電流、行波管螺旋極和收集極電壓，使行波管的飽和輸出功率在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

目前，國(guó)外進(jìn)行空間功率可調(diào)放大器研究的機(jī)構(gòu)主要有法國(guó)泰雷茲－阿萊尼亞航天公司和德國(guó)特薩特空間通信公司（Tesat Spacecom）。前者不僅制造行波管，也研制行波管放大器；后者則以整機(jī)研制為主。2009年，泰雷茲－阿萊尼亞航天公司在ESA的ARTES－3項(xiàng)目框架下開(kāi)展了Ku頻段功率可調(diào)線(xiàn)性通道行波管放大器的研制工作。

泰雷茲－阿萊尼亞航天公司研制的Ku頻段功率可調(diào)線(xiàn)性通道行波管放大器性能

德國(guó)特薩特空間通信公司針對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器采用回退法控制功率導(dǎo)致功放效率降低、熱耗增加的現(xiàn)象，在2009年開(kāi)發(fā)了一種功率可調(diào)的微波功率模塊（MPM），其飽和功率可通過(guò)在軌功率調(diào)節(jié)器（IOA）的64個(gè)狀態(tài)設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的小步長(zhǎng)（1W/每步）的精確控制。目前，該模塊已經(jīng)成功應(yīng)用于英國(guó)Ka頻段的高適應(yīng)性衛(wèi)星－1（Hylas－1）上。該衛(wèi)星通過(guò)地面發(fā)送指令控制微波功率模塊，可以靈活地調(diào)整飽和發(fā)射功率值，調(diào)整范圍在3dB左右，而且在此范圍內(nèi)，行波管的效率沒(méi)有明顯的下降。

總體而言，國(guó)外在功率可調(diào)放大器技術(shù)方面的研究已取得了較大的進(jìn)展，最廣泛應(yīng)用于Ku/Ka等高頻段衛(wèi)星鏈路對(duì)抗雨衰進(jìn)行的自適應(yīng)調(diào)整中。目前來(lái)看，功率調(diào)節(jié)對(duì)行波管性能的影響主要是增益下降，對(duì)射頻性能的影響是非常有限的，不影響行波管的工作可靠性、使用壽命和頻率響應(yīng)，對(duì)線(xiàn)性特性影響也非常小。

2）多端口放大器。多端口放大器的概念最早源于20世紀(jì)60年代的巴特勒（Butler）矩陣?yán)砟?，?974年由美國(guó)通信衛(wèi)星公司（COMSAT）的實(shí)驗(yàn)室首次應(yīng)用于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中。此后，日本的研究機(jī)構(gòu)對(duì)基于Butler矩陣的多端口放大器進(jìn)行了改進(jìn)，提出了基于混合矩陣（Hybrid Matrix）的多端口放大器。混合矩陣相比Butler矩陣不需要多個(gè)固定相移器，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、插入損耗小、隔離度好等特點(diǎn)，成功應(yīng)用于日本2000年發(fā)射的“多用途運(yùn)輸衛(wèi)星”（MTSAT）上，但并不具備靈活功率分配能力。

空客防務(wù)與航天公司開(kāi)發(fā)的多端口放大器接線(xiàn)結(jié)構(gòu)（上）和輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)電路板（下）

目前，靈活的多端口放大器主要適用于每個(gè)波束單獨(dú)饋電的多波束天線(xiàn)。其結(jié)構(gòu)中包括多個(gè)并聯(lián)的放大器單元，每個(gè)輸入端口的信號(hào)都被均等地提供給了每個(gè)放大器單元，從而將各端口功率集中為“資源池”（power pool），提供了可在輸入端口之間動(dòng)態(tài)的且以高度靈活的方式共享輸出功率，為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信多波束天線(xiàn)波束發(fā)射功率的靈活性提供了可能。這種放大器既提高了功放的利用率，同時(shí)也減小了由單個(gè)功放失效所帶來(lái)的影響。

歐洲空客防務(wù)與航天公司在ESA的ARTES－5.2計(jì)劃下，研制了一款8×8的Ku頻段（10.7～12.75GHz）基于行波管放大器的多端口放大器，已經(jīng)成功應(yīng)用于歐洲衛(wèi)星通信公司2017年發(fā)射的歐洲通信衛(wèi)星－172B（Eutelsat－172B），主要由輸入功率分配網(wǎng)絡(luò)（INET）、輸出功率集成網(wǎng)絡(luò)（ONET）和包含多個(gè)并行放大器的功率冗余網(wǎng)絡(luò)組成，可以在軌實(shí)現(xiàn)靈活的功率分配能力。

總體而言，多端口放大器因?yàn)榫邆淞己玫亩嗉?jí)同步長(zhǎng)功率調(diào)節(jié)能力，已在多類(lèi)通信衛(wèi)星中得到廣泛應(yīng)用。相比功率可調(diào)型放大器，其在衛(wèi)星多波束覆蓋的場(chǎng)景下使用的經(jīng)濟(jì)性更高。目前，國(guó)外成熟的多端口放大器產(chǎn)品集中在S、L等移動(dòng)通信頻段，隨著高通量衛(wèi)星應(yīng)用的增多，從2010年左右逐步啟動(dòng)研制Ku、Ka等高頻段的對(duì)應(yīng)產(chǎn)品。未來(lái)，多端口放大器在放大部分采用多個(gè)并行的靈活功率可調(diào)放大器也開(kāi)始受到關(guān)注，兩者的結(jié)合，可以進(jìn)一步提升功率調(diào)整范圍與精細(xì)度，是業(yè)界的重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)方向。（未完，待續(xù)）