一種應(yīng)用于移動通信衛(wèi)星的多端口功率放大器系統(tǒng)設(shè)計①

黃齊波，魯 玲，王五兔，陳 博

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

自20世紀70年代以來至今，靜止軌道移動通信衛(wèi)星已經(jīng)經(jīng)過了40年的發(fā)展歷程，主要面向個人及數(shù)據(jù)采集等小型用戶終端，包括個人手持機、車載、艦載、機載等形式。目前在軌應(yīng)用的主流靜止軌道移動通信衛(wèi)星屬于第三代，部署于2000年之后，其典型系統(tǒng)有印度尼西亞的“亞洲蜂窩”(ACeS)系統(tǒng)[衛(wèi)星名為“格魯達”(Garuda)]、阿聯(lián)酋的“瑟拉亞”(Thuraya)系統(tǒng)、國際移動衛(wèi)星-4系統(tǒng)[1]。第三代靜止軌道移動通信衛(wèi)星主要標(biāo)志是衛(wèi)星通過大型可展開天線技術(shù)、大型通信衛(wèi)星平臺技術(shù)、多波束形成技術(shù)，陣列轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)形成上百個波束，在其服務(wù)區(qū)內(nèi)均滿足支持小型化手持終端應(yīng)用的衛(wèi)星等效全向輻射功率(EIRP)和衛(wèi)星接收品質(zhì)因素(G/T)的極高要求，且能夠在軌動態(tài)分配上百個波束服務(wù)區(qū)內(nèi)的衛(wèi)星下行功率。

根據(jù)業(yè)務(wù)傳輸需要，改變信道或波束分得的發(fā)射功率。在一些應(yīng)用情況下，當(dāng)不需要全覆蓋靈活性時，可采用傳統(tǒng)的天線，由于可以在零功率和全功率之間調(diào)整(波束)功率，多端口功率放大器是解決靈活功率管理的主要方式[2]。

本文研究的主要內(nèi)容是設(shè)計實現(xiàn)用于多波束移動通信衛(wèi)星在軌功率動態(tài)調(diào)配的高可靠性的多端口功率放大器系統(tǒng)，文章首先簡要的敘述了多端口功率放大器系統(tǒng)(以下簡稱MPA系統(tǒng))的基本組成，在此組成的基礎(chǔ)上提出了一種新穎的環(huán)備份開關(guān)結(jié)構(gòu)，能夠保證MPA系統(tǒng)在其主份或各種備份狀態(tài)下各通道之間的相位一致性，然后給出了基于這種等相位設(shè)計的環(huán)備份開關(guān)結(jié)構(gòu)的MPA系統(tǒng)的性能仿真分析結(jié)果，最后介紹了根據(jù)本文設(shè)計方案實現(xiàn)的MPA系統(tǒng)的測試結(jié)果，并對指標(biāo)要求、仿真分析結(jié)果和測試結(jié)果進行比對。

超表面是由亞波長單元按周期或非周期排列而成的人工電磁表面結(jié)構(gòu)[3]，其中每個單元的電響應(yīng)、磁響應(yīng)、各向異性等特性均可以獨立控制，對電磁波的傳導(dǎo)、輻射、散射等特性可以實現(xiàn)幾乎任意的調(diào)控，且剖面低、損耗小、可共形，這些使得超表面不僅能夠大幅提升現(xiàn)有電磁器件的性能，更可以獲得傳統(tǒng)器件無法實現(xiàn)的新功能。

特別地，在波前控制方面，超表面展現(xiàn)出強大的波前重塑能力，可以對反射波或透射波在遠場區(qū)域和近場區(qū)域的幅度、相位、和極化分布進行精確的控制[4-8]。

對于無線能量傳輸而言，超表面強大的波前控制能力可以在基于電磁輻射的中遠距無線能量傳輸中發(fā)揮巨大作用，形成多個遠場或近場聚焦波束，本文主要介紹就基于超表面的多波束天線技術(shù)，對目前已有的工作進行介紹和總結(jié)，并探討其在中遠距無線能量傳輸中的應(yīng)用，最后總結(jié)并展望。

1 MPA系統(tǒng)組成原理

國際移動衛(wèi)星-4和日本N-STAR等為代表的多波束移動通信衛(wèi)星的MPA系統(tǒng)由輸入網(wǎng)絡(luò)(INet)、固態(tài)功率放大器(SSPA)、輸出網(wǎng)絡(luò)(ONet)以及冗余微波開關(guān)和同軸射頻電纜組成，MPA系統(tǒng)在其工作頻率范圍內(nèi)應(yīng)具有優(yōu)良的幅相一致性和各端口隔離度特性，能較好的滿足多波束移動通信衛(wèi)星波束形成對通道幅度相位一致性要求、波束之間隔離度對通道的隔離度要求以及多波束移動通信衛(wèi)星波束的功率動態(tài)調(diào)配功能的要求。

MPA系統(tǒng)中輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)原理上一般是由多個3dB橋組成，不同衛(wèi)星之間的區(qū)別在于3dB橋之間的級聯(lián)方式有所區(qū)別；為了提高MPA系統(tǒng)的可靠性，星載MPA系統(tǒng)會設(shè)計冗余備份，與常規(guī)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)的環(huán)備份網(wǎng)絡(luò)相比要求更為苛刻，MPA系統(tǒng)中的冗余環(huán)備份開關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中需要特別考慮主份或備份路徑的幅度相位一致性，不同MPA系統(tǒng)中的環(huán)備份結(jié)構(gòu)形式上雖然有所區(qū)別，但均需要遵循保證MPA系統(tǒng)中各通道的幅相一致性原則，圖1給出了Inmarsat-4 衛(wèi)星MPA系統(tǒng)原理框圖。

圖1 INMARSAT-4衛(wèi)星MPA系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic of the MPA on the INMARSAT-4 satellite

下面一章中將要詳細闡述，針對文章提出的MPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為了保證主備份切換狀態(tài)變化后，MPA系統(tǒng)中各通道相位一致性性能仍然保證要求的情況下，系統(tǒng)中設(shè)計的各種相位約束關(guān)系。

2 MPA系統(tǒng)設(shè)計

本文介紹了一種可應(yīng)用于多波束移動通信衛(wèi)星在軌功率動態(tài)調(diào)配的多端口功率放大器系統(tǒng)設(shè)計，該MPA系統(tǒng)是一個規(guī)模為8*8的MPA系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用10：8環(huán)備份冗余方式，其原理框圖如圖2所示。

圖2 本文介紹的MPA系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Schematic of the proposed MPA system

文章中的MPA結(jié)構(gòu)與Inmarsat-4的MPA系統(tǒng)的區(qū)別為：1)輸入網(wǎng)絡(luò)和輸出網(wǎng)絡(luò)中12個3dB橋的連接方式不一樣；2)在實現(xiàn)同樣規(guī)模的冗余備份的情況下，環(huán)備份開關(guān)數(shù)量相對較少。

文章中的MPA結(jié)構(gòu)與N-STAR的MPA系統(tǒng)區(qū)別為：1)本文中的輸入網(wǎng)絡(luò)和輸出網(wǎng)絡(luò)均為對稱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)優(yōu)良的幅度相位一致性難度較小，對稱的輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)使得MPA系統(tǒng)每個端口對外表現(xiàn)的性能一致，更適合于通用的多波束衛(wèi)星載荷系統(tǒng)設(shè)計， N-STAR設(shè)計的這種非對稱的輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)是為了實現(xiàn)MPA系統(tǒng)中特定的相位關(guān)系通道，這種設(shè)計的針對性較強；2)N-STAR的輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)由于不對稱的原因?qū)е屡c環(huán)備份開關(guān)的連接也是按某種特定的順序來連接，而本文MPA系統(tǒng)輸入、輸出系統(tǒng)與放大器連接更規(guī)整，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的主備份相位一致性能更容易一些。

2.1 輸入網(wǎng)絡(luò)

輸入網(wǎng)絡(luò)是MPA系統(tǒng)的重要組成部分，用于將輸入信號進行等分。輸入和輸出端口數(shù)目均為8，1-8為輸入端口，9-16為輸出端口。任一路信號通過輸入網(wǎng)絡(luò)后把能量等分為8份，輸入網(wǎng)絡(luò)8×8原理框圖如圖3。

圖3 本文介紹的MPA系統(tǒng)中輸入網(wǎng)絡(luò)原理框圖Fig.3 Schematic of the INet in the proposed MPA system

輸入網(wǎng)絡(luò)中輸出端口X9G～X16G的與輸入端口X1G～X8G的相位關(guān)系矩陣如公式1所示。

(1)

輸入網(wǎng)絡(luò)各端口幅度一致性、與上述理論矩陣歸一化后的相位一致性以及各端口的隔離度等性能直接影響MPA的幅相一致性性能和各端口輸入輸出隔離度性能，所以對輸入網(wǎng)絡(luò)的主要性能有如下要求：

各通道幅度不一致性≤±0.2dB；

各通道歸一化的相位一致性≤±3度；

各端口的隔離度≥26dB；

2.2 固態(tài)功率放大器

固態(tài)功率放大器是MPA系統(tǒng)的核心組成部分，用于將信號進行功率放大，MPA的放大器特征性能主要由其決定，同時，10路固態(tài)放大器的幅度相位一致性性能對MPA的幅相一致性和隔離度等重要指標(biāo)起著決定性的作用，所以對固態(tài)功率放大器的主要性能有如下要求：

增益≥92dB；

SSPA輸出功率≥42.55dBm；

各路之間的幅度一致性≤±0.3dB；

各路之間的相位一致性≤±5度；

2.3 輸出網(wǎng)絡(luò)

輸出網(wǎng)絡(luò)是MPA系統(tǒng)的重要組成部分，用于將其8路輸入信號進行等功率合成。輸入和輸出端口數(shù)目均為8，1-8為輸入端口，9-16為輸出端口，輸出網(wǎng)絡(luò)8×8原理框圖如圖4。

圖4 本文介紹的MPA系統(tǒng)中輸出網(wǎng)絡(luò)原理框圖Fig.4 Schematic of the ONet in the proposed MPA system

輸出網(wǎng)絡(luò)中輸出端口X9G～X16G的與輸入端口X1G～X8G的相位關(guān)系矩陣如公式2所示。

(2)

輸出網(wǎng)絡(luò)各端口幅度一致性、與上述理論矩陣歸一化后的相位一致性以及各端口的隔離度等性能直接影響MPA的幅相一致性性能和各端口輸入輸出隔離度性能，所以對輸出網(wǎng)絡(luò)的主要性能有如下要求：

各通道幅度不一致性≤±0.2dB；

各通道歸一化的相位一致性≤±3度；

各端口的隔離度≥26dB；

2.4 MPA系統(tǒng)中相位一致性設(shè)計

MPA系統(tǒng)中輸入網(wǎng)絡(luò)至輸入環(huán)備份開關(guān)之間、輸出環(huán)備份開關(guān)至輸出網(wǎng)絡(luò)之間、SSPA與輸出環(huán)備份開關(guān)之間的射頻同軸電纜設(shè)計為等相位，要求各段電纜之間的相位一致性≤±1度。

MPA系統(tǒng)雖然對輸入網(wǎng)絡(luò)、輸出網(wǎng)路、固態(tài)功率放大器、開關(guān)、等相位電纜提出了相位一致性要求，但為了進一步減小系統(tǒng)級聯(lián)之后的常溫下的各組成部分的相位一致性殘差積累，尤其是減小10路固放之間的常溫下的全工作帶寬內(nèi)的相位一致性偏差，可根據(jù)各路SSPA的相位不一致性計算SSPA的輸入端同軸穩(wěn)相電纜的電長度，定制相應(yīng)電長度的電纜達到對10路SSPA常溫下相位不一致進行均衡的目的。圖5為兩組MPA系統(tǒng)的20路固放配相前后相位一致性對比；

(a)匹配前

(b)匹配后圖5 20路固放相位一致性Fig.5 Phase balance characteristics of 20 SSPAs

從圖5可以看出，通過利用同軸電纜進行全帶寬內(nèi)的相位均衡方法，可使20路SSPA之間的相位一致性由均衡前的≤±5度改善為≤±2度，從而可提高MPA系統(tǒng)的相位一致性和端口隔離度性能。

除此之外，由于冗余備份環(huán)的引入，當(dāng)切換為備份時，為了保障備份狀態(tài)下的MPA系統(tǒng)各通道的一致性，需要保證以下相位關(guān)系：

如圖6所示，開關(guān)間連接電纜相位均要求一致；

MPA系統(tǒng)在備份狀態(tài)(圖7為一種備份狀態(tài))下時鏈路的電長度與主份狀態(tài)下(圖6位主份狀態(tài))必須相差2n ，其中n為整數(shù)，為了減小任意主備份狀態(tài)下信號鏈路由于相差整數(shù)個周期而引起的工作帶寬內(nèi)上下邊頻相位色散差，n在兼顧開關(guān)間連接電纜受開關(guān)環(huán)備份結(jié)構(gòu)布局決定的實際長度取值的情況下，盡量取??；

SSPA1和SSPA10的輸入電纜比其它8路的輸入電纜在相位均衡后還需要增加n*360度(n取值同上一條要求)；

圖6 MPA系統(tǒng)主份時信號流圖Fig.6 the signal flow graph of the proposed MPA system at main work status

圖7 MPA系統(tǒng)一種備份時信號流圖Fig.7 the signal flow graph of the proposed MPA system at backup status

滿足以上MPA系統(tǒng)中相位關(guān)系約束條件，可以在保證主份和備份狀態(tài)下各通道之間的幅度和相位一致性性能情況下，實現(xiàn)系統(tǒng)10：8的冗余備份。

3 MPA系統(tǒng)仿真與測試

為了簡化MPA系統(tǒng)的仿真模型，同時不影響MPA系統(tǒng)的仿真準(zhǔn)確度，在仿真軟件ADS中建模只考慮實際信號流向關(guān)系，不考慮備份SSPA以及環(huán)備份開關(guān)。輸入網(wǎng)絡(luò)、固放組件、輸出網(wǎng)絡(luò)均按第2章中的幅度相位一致性要求設(shè)置幅度相位不一致值進行仿真，仿真模型如圖8所示，輸入網(wǎng)路和輸出網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)置3dB90度橋的相位不一致性模擬實際特性，固放通過設(shè)置每路固放的移相衰減量模擬固放組件實際的幅度相位不一致性特性，用理想的TL線模擬電纜和開關(guān)的電長度。

利用ADS對MPA系統(tǒng)的各端口之間的隔離度、幅度一致性、相位一致性和表征功率動態(tài)調(diào)配最大能力的功率集中能力等性能，開展了S參數(shù)仿真和非線性諧波平衡仿真分析。圖9中(a)為MPA系統(tǒng)8個輸出端口之間的隔離度仿真曲線，圖9中(b)為功率集中能力仿真曲線，主要參數(shù)的仿真結(jié)果見表1。

表1 設(shè)計要求、仿真結(jié)果和測試結(jié)果Table 1 design requirements, simulation results and test results

圖8 MPA系統(tǒng)仿真模型Fig.8 the simulation model of the proposed MPA system

(a)隔離度

(b)功率集中能力圖9 MPA系統(tǒng)性能仿真Fig.9 Simulated performance of the proposed MPA system

對基于本文介紹的MPA系統(tǒng)方案的實際集成系統(tǒng)開展了詳細的測試，MPA系統(tǒng)的主要性能：1)幅度一致性為±0.13dB；2)相位一致性為±1.22度；3)功率集中能力為51.2dBm；4)端口之間隔離度最小值為24.48dB，該性能能夠滿足多波束移動通信衛(wèi)星波束形成對通道幅度相位一致性要求、波束之間隔離度對通道的隔離度要求以及多波束移動通信衛(wèi)星波束的功率動態(tài)調(diào)配功能的要求。

4 總結(jié)

本文提出了一種MPA系統(tǒng)的設(shè)計方案，并給出了基于此方案的MPA系統(tǒng)的設(shè)計、仿真及測試結(jié)果。此MPA系統(tǒng)可應(yīng)用于移動通信衛(wèi)星等多波束通信衛(wèi)星陣列轉(zhuǎn)發(fā)器中，設(shè)計的MPA系統(tǒng)的仿真和測試結(jié)果顯示出了良好的一致性，其測試的幅度和相位一致性性能、端口隔離度性能、功率集中能力性能和功率動態(tài)調(diào)配等功能均能滿足多波束衛(wèi)星波束形成、波束隔離、功率動態(tài)調(diào)配等性能和功能要求，該MPA系統(tǒng)的設(shè)計方案和實現(xiàn)方法可廣泛應(yīng)用于多波束衛(wèi)星系統(tǒng)中。