袁 麗，王 悅，王 權(quán)，熊 越，王鴻偉

(航天恒星科技有限公司，北京100089)

0 引言

寬帶通信技術(shù)在信息交換中發(fā)揮著越來越重要的作用，機載通信、海上通信、工業(yè)通信、無線網(wǎng)絡(luò)回傳和物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)對數(shù)據(jù)與視頻的消耗以及持續(xù)性的寬帶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提出了更高的要求，驅(qū)動著通信容量、帶寬與傳輸速率需求的增長，高通量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)(HTS)因此發(fā)展迅速。而未來的HTS既要增加容量，也要降低成本，以降低終端用戶的使用成本為目的，加之C、Ku以及Ka等頻段資源的使用逐漸趨于飽和，促使了更高頻率的Q/V頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展。使用Q/V波段雖然具有容量大、速率高、頻段寬以及終端更加小型化的優(yōu)勢，但也帶來了系統(tǒng)抗雨衰、高頻射頻器件不成熟等問題。

目前，國內(nèi)針對Q/V頻段抗雨衰的研究主要還停留在傳統(tǒng)技術(shù)手段層面，針對通過綜合網(wǎng)絡(luò)管理與控制系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)間智能分配的技術(shù)也只處于起步階段；同時，針對射頻器件的選用與研制，較多的研究還是指向行波管功放，針對對高阻抗、高可靠性和高效率應(yīng)用有迫切要求的Q/V高頻段尚未提出明確的固態(tài)功放方案。因此，文中將通過對國內(nèi)外前沿的智能網(wǎng)關(guān)分集與高頻射頻技術(shù)的詳細(xì)研究，提出了更加全面可靠的技術(shù)方案。

1 Q/V頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

Q/V頻段處于極高頻(EHF)范圍內(nèi)的33～75 GHz之間，與Ku/Ka頻段衛(wèi)星相比，在使用相同頻譜數(shù)量的情況下，可獲得高達(dá)多倍的容量，能向全球用戶提供高速寬帶數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，每信道速率低則100 Mb/s，最高可達(dá)1 Gb/s，同時可減少通信傳輸成本。

隨著更高通信吞吐量需求的增長，具備高帶寬、大容量、窄波束和低成本等優(yōu)勢的Q/V頻段被認(rèn)為是下一代甚高通量通信系統(tǒng)(VHTS)的首選頻段，在對地靜止軌道(GEO)與非靜止軌道(NGSO)高通量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中發(fā)展迅速。

1.1 Q/V頻段GEO應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1.1 Milstar 衛(wèi)星Q/V頻段通信載荷

美軍的Milstar以及AEHF系列衛(wèi)星是工作在Q/V頻段的GEO衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)，為美國及其盟友國家提供加密、抗干擾的安全通信服務(wù)。Milstar工作在60 GHz的V頻段，具有星間鏈路，每顆衛(wèi)星上均裝有2副1.8 m口徑V頻段天線以用于星間通信；得益于其星間鏈路，系統(tǒng)可不經(jīng)由地面信關(guān)站的中繼轉(zhuǎn)發(fā)而實現(xiàn)全球通信，通信速率10 Mb/s。

2020年3月26日AEHF最后一顆衛(wèi)星AEHF-6成功發(fā)射，美軍的抗干擾加密衛(wèi)星通信星座AEHF完全建成，其工作頻率也為60 GHz，同時也設(shè)置了星間鏈路，天線口徑為1.83 m，通信速率可達(dá)60 Mb/s[1]。衛(wèi)星還搭載了Q頻段通信載荷，為美軍提供抗干擾的高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

1.1.2 Eutelsat Q/V頻段通信載荷

歐洲電信衛(wèi)星公司(Eutelsat)聯(lián)合勞拉公司利用Eutelsat 65 West A衛(wèi)星的一個特殊實驗載荷于2016年3月開展了極高頻(EHF)通信測試，測試的主要目標(biāo)在于對40～50 GHz頻段的通信性能進行驗證分析。實驗主要驗證了Q/V頻段的鏈路穩(wěn)定性以及抗雨衰技術(shù)，其中主要驗證了自適應(yīng)編碼調(diào)制(Adaptive Coding and Modulation，ACM)技術(shù)，測試場景為使用遵循DVB-S2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的終端在多個信關(guān)站之間進行通信；與此同時讓衛(wèi)星搭載的有效載荷對鏈路情況進行實施監(jiān)視，用以評估波束動態(tài)調(diào)整的方法[2]。Eutelsat成為首個在其Eutelsat 65 West A衛(wèi)星上測試Q/V頻段通信的運營商。

1.1.3 Q/V-LIFT 項目

大多數(shù)已建成的高通量通信衛(wèi)星與其信關(guān)站之間的饋電鏈路通常工作于Ka頻段，而將Q/V頻段用于饋電鏈路，不僅增加了上行饋電鏈路的帶寬，還可將Ka頻段完全釋放出來用于用戶鏈路，以此獲得更多帶寬資源，使單位通信成本得以降低。歐空局因此制定了相應(yīng)的研究框架，意大利航天局(ASI)于2013年發(fā)射了Alphasat衛(wèi)星，衛(wèi)星由泰雷茲(Thales Alenia Space)研制，上面搭載了歐洲首個Q/V頻段通信載荷TDP5(Technology Demonstration Payload，TDP)，工作頻率為上行48 GHz、下行38 GHz；載荷包含了3個點波束以及2個可自動切換的轉(zhuǎn)發(fā)器通道，用于無線電波信號在波束間動態(tài)切換，實現(xiàn)與地面多個信關(guān)站間的智能分集，同時也采用了2次變頻與10 W固態(tài)功放方案。ASI還啟動了Q/V頻段高通量系統(tǒng)地面部分連接試驗(Q/V Band Earth Segment Link for Future High Throughput Space Systems，Q/V-LIFT)項目，用于測試Q/V頻段衛(wèi)星星座星地通信、站點之間寬帶業(yè)務(wù)傳輸?shù)母黜椥阅苤笜?biāo)，以評估惡劣大氣條件對系統(tǒng)性能的具體影響。這些數(shù)據(jù)將打造未來GEO衛(wèi)星的寬帶通信模式，且有望實現(xiàn)更大的可用帶寬以及更小的用戶終端。Q/V-LIFT系統(tǒng)架構(gòu)[3]如圖1所示。

圖1 Q/V-LIFT系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Q/V-LIFT system architecture

1.1.4 休斯-95W Q/V頻段下一代高通量衛(wèi)星

美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)在2019年6月向休斯公司授予其容量高達(dá)500 Gb/s的下一代甚高通量衛(wèi)星—休斯-95W(HNS-95W或Jupiter-3)的建造與運行許可，標(biāo)志著全球首個采用Q/V頻段提供商業(yè)通信服務(wù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)向前邁出重要一步[4]。

1.2 Q/V頻段NGSO應(yīng)用現(xiàn)狀

Q/V頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中較高的大氣和雨衰影響，使得其最初用于GEO衛(wèi)星與大型地面站的高帶寬饋電鏈路，但Q/V頻段系統(tǒng)的高帶寬以及NGSO軌道較低的路徑損耗，也促使其逐漸被衛(wèi)星運營商用作NGSO系統(tǒng)的饋電鏈路。一方面，可將Ka頻段資源完全用于用戶鏈路，大幅提升系統(tǒng)容量，降低每比特通信成本；另一方面，可使單個信關(guān)站的傳輸能力更強，管理的用戶波束數(shù)量更多。

截至2018年年中，已有SpaceX、OneWeb、Boeing等多家衛(wèi)星通信運營商提交了Q/V頻段NGSO衛(wèi)星星座建設(shè)申請文件，衛(wèi)星總數(shù)將達(dá)一萬余顆，旨在提供全球無縫覆蓋的寬帶通信服務(wù)。

1.2.1 Boeing公司 Q/V頻段NGSO星座計劃

Boeing公司于2016年提出了基于Q/V頻段的LEO星座建設(shè)構(gòu)想，計劃開發(fā)和運營一個面向全球用戶提供衛(wèi)星寬帶通信服務(wù)的LEO衛(wèi)星星座。星座將包含2 956顆工作于37.5～42 GHz、47.2～50.2 GHz和50.4～51.4 GHz的低軌寬帶通信衛(wèi)星。Boeing初始計劃發(fā)射1 396顆Q/V頻段衛(wèi)星，運行在高度為1 030，1 082 km附近的LEO軌道。星座建成后將為全球各行業(yè)用戶提供高速率低延遲的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。Boeing公司Q/V頻段NGSO衛(wèi)星星座系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 Boeing公司Q/V頻段NGSO衛(wèi)星星座系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of Q/V band NGSO satellite constellation system of Boeing company

1.2.2 SpaceX的Q/V頻段“Starlink”星座計劃

SpaceX于2017年提出了“Starlink”NGSO星座計劃，星座將采用7 518顆Q/V頻段衛(wèi)星，軌道高度不超過400 km，星間將創(chuàng)新地采用激光鏈路進行通信，用以增強首批提出、由四千余顆衛(wèi)星組成并工作于Ku/Ka頻段的衛(wèi)星星座。SpaceX透露其星座的通信延遲將不超過25～35 ms，可向全球各地的用戶提供高速的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，成為地面光纖的有力競爭對手。

1.2.3 銀河航天Q/V頻段低軌寬帶通信衛(wèi)星

2020年1月16日，銀河航天低軌衛(wèi)星星座首顆低軌寬帶通信衛(wèi)星成功發(fā)射，通信容量達(dá)10 Gb/s，成為國內(nèi)該領(lǐng)域的領(lǐng)先者。該衛(wèi)星除采用Ka頻段外，還首次采用了Q/V高通信頻段，具備高速、大帶寬的通信傳輸能力，可為更大規(guī)模的用戶提供更快、更流暢的寬帶衛(wèi)星通信服務(wù)。銀河航天將在衛(wèi)星入軌后迅速進行通信速率、通信性能等業(yè)務(wù)與技術(shù)的測試與驗證[5]。

1.3 Q/V頻段發(fā)展趨勢

隨著GEO衛(wèi)星向大容量、星座化發(fā)展，眾多NGSO星座開始部署，衛(wèi)星通信應(yīng)用也將愈加廣泛，從傳統(tǒng)的固定衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)向船載、機載等寬帶移動通信業(yè)務(wù)發(fā)展，并融合地面移動通信，實現(xiàn)全球無縫覆蓋的移動互聯(lián)網(wǎng)接入以及M2M物聯(lián)網(wǎng)等新興服務(wù)的發(fā)展。而作為具備高帶寬、大容量、低成本等突出優(yōu)勢的Q/V頻段，將會更加廣泛地用于GEO-HTS與NGSO-HTS，提供星間鏈路通信、關(guān)口站鏈路通信、地面移動網(wǎng)絡(luò)回傳、熱點信息廣播推送、個人互聯(lián)網(wǎng)接入和超高速率寬帶接入等高速信息傳輸服務(wù)。

與此同時，從國內(nèi)外各大運營商/研究機構(gòu)開展的Q/V頻段驗證測試的情況來看，Q/V頻段由于頻段高，受到雨衰的影響較大，運行的鏈路穩(wěn)定性、抗雨衰以及關(guān)鍵射頻器件的研制都將是需要持續(xù)進行攻關(guān)的難題。

2 Q/V頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)難點

Q/V頻段存在的主要技術(shù)難點包括兩方面：高頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗雨衰與高頻射頻器件研制。

2.1 高頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗雨衰技術(shù)

無線電波信號傳輸過程中受降雨影響嚴(yán)重是采用Q/V頻段進行通信的最大問題，鏈路通信質(zhì)量迅速變差甚至中斷。雨衰是無線電波受到雨滴的吸收和散射而造成，頻段越高，無線電波信號會因為波長越接近雨滴的大小而導(dǎo)致衰減變得越為嚴(yán)重；此外，雨衰與降雨量成正比，降雨量越多，雨衰越強。根據(jù)ITU-RP.618-12規(guī)則計算出在降雨量為47 mm/h時Q/V頻段的雨衰情況如圖3所示。由此可以看出，降雨對Q/V高頻段信號傳輸質(zhì)量的影響十分顯著，所以必須采用高效的雨衰補償方式[6]。

圖3 ITU-RP.618-12Q/V頻段的雨衰圖Fig.3 Rain attenuation at ITU-RP.618-12 Q/V band

2.2 高頻射頻器件研制

Q/V頻段射頻器件產(chǎn)業(yè)鏈并不成熟，尤其是高功率放大器，其穩(wěn)定性和低功率制約了Q/V頻段通信系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。

工作頻率高、工作通道帶寬寬和輸出功率高，內(nèi)部包含的功能電路多，與Ka波段相比具有更大的非線性效應(yīng)，損耗也更高，對功放的輸出功率及線性設(shè)計提出了較高要求。

兼顧功放重量體積、電源功耗和輸出功率的要求，對整機效率提出較高的要求。

3 Q/V頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

3.1 抗雨衰技術(shù)

自由空間損耗、大氣吸收/散射損耗等多種外在因素形成了對Q/V頻段高通量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)信號傳輸質(zhì)量的主要影響。自由空間損耗與所使用頻率的平方成正比，頻率越高，天線的指向性就越高，因此，隨著頻率而增加的損耗需靠更高的天線增益進行補償；大氣損耗中，降雨對Q/V頻段使用的影響最大——信號在受到雨滴的吸收和散射時會產(chǎn)生衰減，Q/V頻段頻率高，其信號波長更接近雨滴1.5 mm的大小，比C/Ku/Ka頻段信號的衰減更為嚴(yán)重。因此，需采用有效的抗雨衰技術(shù)以補償降雨帶來的信號衰減甚至通信中斷，雨衰補償技術(shù)主要有以下3項：上行功率控制(Uplink Power Control，ULPC)技術(shù)、自適應(yīng)編碼調(diào)制(Adaptive Coding and Modulation，ACM)技術(shù)以及Smart Gateways智能網(wǎng)關(guān)分集技術(shù)。

3.1.1 ULPC技術(shù)

ULPC技術(shù)是高頻段衛(wèi)星通信鏈路抗雨衰的主要方式。地面信關(guān)站到衛(wèi)星的上行鏈路雨衰較為嚴(yán)重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過下行鏈路，故通常采用提高信關(guān)站上行鏈路EIRP的方式實現(xiàn)對降雨衰減的補償，進而提高鏈路的可用率。上行功率自動控制是增大EIRP最有效的方式。具體實現(xiàn)方式是：在信關(guān)站設(shè)計時預(yù)留上行功率冗余，系統(tǒng)運行時通過對衛(wèi)星信標(biāo)以及其他載波信號自動實時的檢測而獲得降雨情況下的衰減值，根據(jù)衰減值對衛(wèi)星信關(guān)站的發(fā)射功率做適應(yīng)性調(diào)整，以確保衛(wèi)星接收電平維持在一定范圍內(nèi)，從而補償降雨對信號所帶來的損耗。

開環(huán)控制、閉環(huán)控制以及反饋環(huán)控制是上行功率控制的3種主要方式。開環(huán)控制的特點是采用獨立測量的方法來對鏈路的衰減值進行預(yù)估，根據(jù)預(yù)估結(jié)果對發(fā)射功率進行動態(tài)控制，對鏈路衰減量的估算是開環(huán)控制過程中最核心的部分，包含2種實現(xiàn)方法：① 通過接收的信標(biāo)信號電平；② 根據(jù)天線噪聲溫度的測算結(jié)果。閉環(huán)控制通過信關(guān)站利用自己經(jīng)由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)的載波信號或者地面控制中心站發(fā)來的指令來預(yù)估上行鏈路的衰減情況，并以此進行動態(tài)控制。反饋環(huán)控制則主要是通過信關(guān)站與中心站之間信號電平等信令的交互來實現(xiàn)中心站針對全網(wǎng)信關(guān)站功率調(diào)整指令的統(tǒng)一下發(fā)，從而實現(xiàn)各信關(guān)站對自身上行鏈路功率的控制[7]。ULPC技術(shù)示意如圖4所示。

圖4 上行功率控制技術(shù)示意Fig.4 Schematic diagram of uplink power control technology

3.1.2 ACM技術(shù)

Q/V頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的自適應(yīng)編碼調(diào)制主要分為2種：信關(guān)站上行鏈路ACM及信關(guān)站下行鏈路ACM。在上行鏈路中，信關(guān)站首先根據(jù)接收到的降雨衰減值調(diào)整發(fā)射功率，使衛(wèi)星接收電平保持在一定范圍內(nèi)，當(dāng)通過增加發(fā)射功率的方式無法完全補償降雨帶來的信號衰減時，信關(guān)站根據(jù)信號衰減程度自適應(yīng)動態(tài)改變編碼方式及調(diào)制級別，保障信號傳輸暢通[8]；在下行鏈路中，信關(guān)站自動接收鏈路狀態(tài)信息，當(dāng)信關(guān)站或終端遭遇降雨時，信關(guān)站根據(jù)接收到的鏈路狀態(tài)信息以及終端的反饋信息，實時動態(tài)通知端站選用調(diào)制和編碼級別較低的方式以確保鏈路不中斷。例如從天氣較好情況下的64APSK 4/5降到陰天的QPSK 4/5，甚至是惡劣的雨雪天氣情況下的QPSK 1/2，在天氣情況轉(zhuǎn)好時又自動調(diào)整為帶寬利用效率較高的高階編碼與調(diào)制模式。

ACM技術(shù)示意如圖5所示。

圖5 ACM技術(shù)示意Fig.5 Schematic diagram of ACM technology

3.1.3 智能網(wǎng)關(guān)分集技術(shù)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)常用的ULPC技術(shù)與ACM技術(shù)還不足以完全解決Q/V頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)饋電鏈路遇到的雨衰影響，在降雨強度與衛(wèi)星仰角達(dá)到一定數(shù)值時，將會造成高達(dá)20 dB以上的衰減，直接導(dǎo)致高頻段通信鏈路傳輸中斷。因此，站點分集的技術(shù)被采用，最初的站點分集方案架構(gòu)比較簡單，衛(wèi)星的波束根據(jù)覆蓋區(qū)域分別劃分給不同的網(wǎng)關(guān)進行管理[9]，每個波束由一個網(wǎng)關(guān)進行管理與服務(wù)，通過為每個信關(guān)站提供備份網(wǎng)關(guān)而實現(xiàn)冗余，以確保每個波束無論何時都能接受到正常運行的網(wǎng)關(guān)的服務(wù)，但這意味著重復(fù)的地面部分和潛在的成本，且對饋電鏈路只能進行有限的信號補償，缺乏對在整個系統(tǒng)鏈路可用性的有效支撐。因此，智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)逐漸興起，以實現(xiàn)在一個合理的成本下提高饋線鏈路的可用性。本文采用“柔性網(wǎng)關(guān)靈活接入”的分集策略，根據(jù)傳播條件和流量負(fù)載的不同將用戶終端分配給不同的網(wǎng)關(guān)，當(dāng)用戶最初被分配的網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)較大的信號衰減時可以自動快速接入另外的網(wǎng)關(guān)。出于對傳統(tǒng)彎管寬帶多波束衛(wèi)星設(shè)計的考慮，為了實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)間的協(xié)作，需要考慮不同的系統(tǒng)架構(gòu)，同時進行網(wǎng)絡(luò)和無線電頻率的強靈活性設(shè)計。

本文主要進行2類架構(gòu)的智能網(wǎng)關(guān)分集方案設(shè)計：

①N+0：第1種設(shè)計是為每個用戶波束提供來自不同網(wǎng)關(guān)管理的載波，該機制能夠在不顯著影響有效載荷結(jié)構(gòu)的情況下保持高可用性[10]；

②N+P：第2種設(shè)計依賴于網(wǎng)關(guān)端激活一些額外容量的使用，以彌補因網(wǎng)關(guān)通道衰減程度過高而造成的容量損失。

3.1.3.1N+0分集方案

(1)工作原理

N+ 0分集也稱頻率復(fù)用分集，其基本原理是為不同的用戶波束提供系統(tǒng)內(nèi)不同信關(guān)站的載波分集服務(wù)。在可行性方面，由于系統(tǒng)中對網(wǎng)關(guān)與用戶波束進行了分集，當(dāng)某一信關(guān)站遇到傳輸障礙時，對應(yīng)的用戶波束還可以接入提前預(yù)設(shè)的其他網(wǎng)關(guān)，重新分配到來自沒有信號衰減的網(wǎng)關(guān)的載波，一個網(wǎng)關(guān)的中斷或容量減少會影響到系統(tǒng)內(nèi)所有用戶，但某波束的服務(wù)完全不可用變得不太可能，因為它需要服務(wù)于波束的所有網(wǎng)關(guān)的中斷。系統(tǒng)可用性的改進取決于參與分集方案的網(wǎng)關(guān)數(shù)量。

(2)工作過程

用戶對不同載波和網(wǎng)關(guān)的切換可以分為3個階段：

第1階段：按照既定的策略對網(wǎng)關(guān)-衛(wèi)星饋電鏈路上的衰減情況進行檢測；

第2階段：網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)控制中心根據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)提前預(yù)設(shè)的算法將用戶波束分配到其他載波，網(wǎng)絡(luò)控制中心可收集到系統(tǒng)內(nèi)所有信關(guān)站的所有通道狀態(tài)的實時信息；

第3階段：用戶根據(jù)接收到的載波信令以及更新后的地面網(wǎng)絡(luò)路由表執(zhí)行載波切換[11]。

N+0分集方案如圖6所示。

圖6 N+0分集方案Fig.6 N+0 diversity scheme

3.1.3.2N+P分集方案

可以采用另外一種N+P分集方案減少傳播損耗對饋電鏈路的影響。與N+ 0分集設(shè)計相比，N+P分集方案的主要變化是為了達(dá)到給定的吞吐量需求而相應(yīng)地增加數(shù)量為P的網(wǎng)關(guān)，這同時也意味著由于地面站數(shù)目較多，需要增加一定的費用。

每個網(wǎng)關(guān)可以服務(wù)一個由k個用戶波束組成的集群。如果配置相同的P個額外的網(wǎng)關(guān)可以連接到既有的N個用戶波束集群，那么當(dāng)某個信關(guān)站遇到通信衰減時，其固定連接的波束集群可以接入到某個冗余的信關(guān)站。N+P結(jié)構(gòu)的一個明顯結(jié)果就是系統(tǒng)需要N+P組波束，在有效載荷內(nèi)部需要設(shè)置交換機將額外的網(wǎng)關(guān)連接到波束集群[12]。N+P分集方案如圖7所示。

圖7 N+P分集方案Fig.7 N+P diversity scheme

3.2 高頻段射頻技術(shù)

高頻射頻器件難點主要集中在V頻段高功率放大器上。V頻段高功率放大器主要有2類：固態(tài)功放與行波管。國外受限于實際應(yīng)用，固態(tài)功放應(yīng)用不多，功率也不高，主要采用的還是行波管高功放；國內(nèi)則剛起步，行波管和固態(tài)高功放均在研制階段。

目前大多數(shù)衛(wèi)星通信地面站均習(xí)慣配備高功率功放，從而可得到更大的EIRP提升系統(tǒng)的吞吐量。V頻段行波管目前只能做到線性80 W的輸出功率，功率偏小，而固態(tài)功放可以進行單片功率疊加，提升其合成效率即可實現(xiàn)高功率輸出[13]。

3.2.1 氮化鎵(GaN)單片微波集成電路(MMIC)技術(shù)

本文設(shè)計固態(tài)功放采用GaN MMIC技術(shù)，具有更高的擊穿電壓和功率密度，可充分實現(xiàn)小器件、低電容、高阻抗和高效率等應(yīng)用需求[14]；再結(jié)合其高效率空間功率合成技術(shù)、預(yù)失真線性化技術(shù)等優(yōu)勢，可在V頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)過程中迅速發(fā)展應(yīng)用。固態(tài)功放與行波管功放技術(shù)特點對比如表1所示。

表1 固態(tài)功放與行波管功放技術(shù)特點對比

3.2.2 空間功率合成技術(shù)

本文采用空間功率合成技術(shù)，與傳統(tǒng)的平面合成不同，空間合成技術(shù)首先將輸入的微波信號轉(zhuǎn)換成空間分布的場結(jié)構(gòu)，空間場內(nèi)具有三維的寬帶天線陣列、三維的芯片陣列以及對稱的天線陣列，這3個陣列共同完成了微波信號的空間功率合成，其中三維寬帶天線陣列完成信號能量的耦合與分配，三維芯片陣列完成輸入信號的放大，對稱天線陣列完成放大后信號的合成并將信號傳送到輸出端[15]。由于天線陣列分布在空間場內(nèi)，其本質(zhì)上是一個N合一的大規(guī)模并行合成陣列，其合成損耗與單獨一路的損耗一致，因此，在損耗維持在單路的情況下合成效率卻實現(xiàn)了N倍的提升。

空間功率合成充分利用了波導(dǎo)損耗小的特點，同時發(fā)揮波導(dǎo)阻抗變換靈活的優(yōu)勢，實現(xiàn)多路數(shù)和高效率的功率合成。由于工作頻段高，采用低損耗的波導(dǎo)功率合成方式，可以大大降低合成和分配損耗?？臻g功率合成示意如圖8所示。

空間功率合成的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)多路直接合成，而不是通過二叉樹多級合成的方式，減少了合成損耗。

圖8 空間功率合成示意Fig.8 Schematic diagram of space power synthesis

例如每一級的二叉樹合成采用Wilkinson合成器，電損耗在0.6 dB左右，考慮到傳輸線的損耗，總合成損耗約為0.75 dB。采用同軸腔空間合成，多路直接合成為1路，其損耗是固定的。

用于多路空間合成的功率合成器性能與平面合成對比如圖9所示。

由圖9可以看出，當(dāng)合成的單元數(shù)達(dá)到一定程度后，空間合成的輸出功率要大大高于傳統(tǒng)的二叉樹合成。

(a)平面合成

3.2.3 預(yù)失真線性化技術(shù)

功率放大器的非線性特性一般由AM/AM和AM/PM特性曲線來表征。在輸入信號是窄帶的情況下，功率放大器的這些特性曲線是恒定的，可以表示為輸入信號幅度的函數(shù)如圖10所示。

圖10 功率放大器在無記憶效應(yīng)狀態(tài)下的AM/AM特性曲線Fig.10 AM/AM characteristic curve of power amplifier without memory effect

輸入信號的包絡(luò)頻率以及相位特性會影響功率放大器的輸出信號幅度。功率放大器的輸出隨著信號帶寬的增加，不再只是輸入信號的即時特定函數(shù)，而是取決于當(dāng)前輸入信號與過去輸入信號共同形成的有記憶效應(yīng)的短暫歷史包絡(luò)電平[16]。功率放大器在有記憶效應(yīng)狀態(tài)下的AM/AM特性曲線，如圖11所示，曲線呈現(xiàn)出“發(fā)散”特性。

圖11 功率放大器在有記憶效應(yīng)狀態(tài)下的AM/AM特性曲線Fig.11 AM/AM characteristic curve of power amplifier with memory effect

為提高功率放大器的效率，一般使功率放大器工作在非線性區(qū)，導(dǎo)致信號產(chǎn)生非線性失真，帶來的影響是帶內(nèi)誤碼率升高以及帶外頻譜擴展。對功率放大器線性度的要求隨著系統(tǒng)調(diào)制級別的上升而升高，簡單地通過回退的方法，將會對系統(tǒng)造成極大的資源浪費。而微波功率放大器成本昂貴，也會造成成本的大幅增加。因此，采用線性化的技術(shù)是改善功率放大器的線性度，盡可能最小化功率輸出模塊的有效手段。最有效的線性化技術(shù)是預(yù)失真技術(shù)，其原理是在功放前加一個與功放特性互逆的預(yù)失真器，實現(xiàn)對輸入信號的線性放大。

為了在不增加芯片數(shù)量的前提下，進一步提高放大器的線性度，放大器的前級將加入模擬預(yù)失真模塊，對功率放大器的非線性特性進行補償，使得功率放大器在更高的輸出功率下依然可以獲得很好的線性指標(biāo)，在不增加成本的同時提高了放大器可用的輸出功率。微波功率放大器預(yù)失真如圖12所示。

圖12 微波功率放大器預(yù)失真Fig.12 Predistortion of microwave power amplifier

綜上所述，通過開發(fā)與整合上下游的各核心技術(shù)，可以有效地將線性預(yù)失真、空間合成技術(shù)和GaN半導(dǎo)體技術(shù)進行結(jié)合，超越行波管放大器的水平，成為解決中高輸出功率寬帶放大器需求的有效手段。而由于半導(dǎo)體功率放大器具有壽命長，可靠性高的優(yōu)點，使用該技術(shù)將會大大地提高微波設(shè)備的質(zhì)量與可靠性。同時，半導(dǎo)體芯片代表了微波產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，采用半導(dǎo)體功率放大器技術(shù)將會帶來易于批量生產(chǎn)和降低成本的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

Q/V頻段是未來高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)(VHTS)將主要使用的頻段，其成本低、終端小型化的特點將促使其在全球?qū)拵l(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)運營以及與地面通信系統(tǒng)融合應(yīng)用的過程中占據(jù)越來越大的比重。休斯、Eutelsat以及眾多的國外低軌衛(wèi)星星座已經(jīng)啟動了Q/V頻段通信系統(tǒng)的建設(shè)，并開展了以QV-LIFT為代表的試驗系統(tǒng)的搭建，為Q/V頻段后續(xù)的大規(guī)模應(yīng)用提前進行關(guān)鍵技術(shù)的研究。目前國內(nèi)發(fā)射Q/V頻段衛(wèi)星的只有銀河航天，起步相對較晚。

文中借鑒國內(nèi)外的先進經(jīng)驗，首先針對Q/V頻段受雨衰影響嚴(yán)重的問題，研究了開環(huán)控制、閉環(huán)控制以及反饋環(huán)控制的ULPC技術(shù)，依據(jù)天氣情況進行靈活切換的ACM技術(shù)，以及通過網(wǎng)絡(luò)管理控制系統(tǒng)實現(xiàn)信關(guān)站實時智能分配的智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)；此外，針對Q/V頻段器件的選用與研制，提出了小器件、低電容、高阻抗、高可靠性和高效率應(yīng)用的GaN MMIC技術(shù)，多路數(shù)、高效率、波導(dǎo)損耗小和阻抗變換靈活的空間功率合成技術(shù)，以及在功放前增加一個與功放特性互逆的預(yù)失真器而實現(xiàn)輸入信號線性放大的預(yù)失真線性化技術(shù)，為后續(xù)的大規(guī)模應(yīng)用積累了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。