朱貴偉 李博（北京空間科技信息研究所）

隨著容量性能、設計壽命的不斷提升，通信衛(wèi)星在軌工作期間如何更加高效地服務不同區(qū)域、不同時域的不同應用需求，提升轉(zhuǎn)發(fā)器利用效率，提高收入回報，是通信衛(wèi)星運營商近年來關(guān)注的焦點問題，靈活有效載荷的概念應運而生。2008年，歐洲航天局（ESA）組織召開第一屆先進靈活通信載荷工作會后，工業(yè)界開始大規(guī)模重視該領域的發(fā)展，并取得了較多進展。

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)星靈活性設計主要通過星上關(guān)鍵通信設備的冗余配置實現(xiàn)，這樣就會產(chǎn)生額外的星上資源開銷，從而導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，衛(wèi)星靈活性在實現(xiàn)途徑上一個很重要的原則就是不過度增加載荷負擔。

靈活有效載荷關(guān)鍵技術(shù)體系

目前來看，根據(jù)任務類型和需求的不同，國外對通信衛(wèi)星載荷各層級的靈活性，主要依靠對傳統(tǒng)星上通信鏈路所涉及各個單機/元器件環(huán)節(jié)的技術(shù)改進，而非增加冗余度的方式實現(xiàn)，可分為天線、射頻前端、中頻/基帶處理單元三大部分，本文據(jù)此對靈活有效載荷涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行了梳理。

總體來看，目前各技術(shù)領域的發(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）天線部分側(cè)重波束覆蓋能力的靈活性，主要利用傳統(tǒng)無源反射面天線的機械/電調(diào)節(jié)，實現(xiàn)波束移動與尺寸縮放，利用有源陣列天線和波束成形網(wǎng)絡，實現(xiàn)波束位移、形變及數(shù)量調(diào)節(jié)等。

2）射頻前端部分對應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、中心頻點可調(diào)濾波器，改變單個信道的頻譜特性，而可步進式調(diào)整的功率放大器與上述設備配合，能夠?qū)I(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸速率等進行按需調(diào)節(jié)。

3）中頻/基帶處理單元部分對應鏈路互聯(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行精細分路和交換，利用完全再生式的星載處理器進行解調(diào)、譯碼后進行數(shù)據(jù)處理和分組交換路由等，支持相應的網(wǎng)絡協(xié)議等。

從當前的系統(tǒng)應用情況來看，天線與射頻部分實現(xiàn)的靈活效果直接、可見，而且在各類系統(tǒng)中已得到一些初步的應用，實現(xiàn)途徑也相對成熟，因此更受傳統(tǒng)運營商的重視?；ヂ?lián)互通與協(xié)議體制靈活度則依賴于不同程度的星上處理能力，代表了更高層次的載荷要求，是未來地球靜止軌道（GEO）通信衛(wèi)星的主要發(fā)展方向。此外，國外近年來也在基于軟件無線電的靈活載荷方面投入了較多的研究。本文主要結(jié)合各國在相應技術(shù)方向的發(fā)展情況和典型產(chǎn)品進行分析。

2 靈活有效載荷關(guān)鍵技術(shù)

靈活的天線技術(shù)

可調(diào)節(jié)的天線系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)靈活的波束覆蓋能力。此類靈活天線既可以是無源天線，也可以是有源天線。無源天線定義為單個輻射單元，對應單通道單功率放大器。無源天線既可以是機械可重構(gòu)，也可以是電控重構(gòu)模式。而有源天線定義為多個輻射單元且每個輻射單元使用相應的功率放大裝置。

（1）傳統(tǒng)無源反射面天線

天線指向調(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)星對應寬波束或賦球波束。天線指向調(diào)節(jié)主要用于校正實際覆蓋區(qū)域與設計目標的吻合度，因此調(diào)節(jié)機構(gòu)的幅度限制較大，波束位置可在小范圍移動。針對高機動性用戶（如軍用偵察無人機等）的需求，一些衛(wèi)星設計有可移動點波束，波束位置可以在衛(wèi)星的視場范圍內(nèi)任意移動。

勞拉空間系統(tǒng)公司機械靈活天線在1倍（左）、1.3倍（右）焦距對應波束覆蓋情況

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

（2）有源陣列天線

依靠陣列天線配合波束形成器，可以實現(xiàn)更大靈活度波束形狀和數(shù)量調(diào)節(jié)，有源陣列天線主要負責波束的產(chǎn)生和放大，波束成形器則主要通過控制輻射單元的幅度、相位與開關(guān)來改變波束。目前國外集中關(guān)注兩類天線，即陣列饋電反射面天線（AFR）和直接輻射陣列天線（DRA）。

1）陣列饋電反射面天線。該天線主要依賴位于反射器焦平面的前置/偏置饋源陣列來形成單個寬波束或多個點波束，其靈活性實現(xiàn)是通過與饋源陣列對應的波束形成網(wǎng)絡來控制和改變波束形狀與數(shù)量。在應用方面，對于單波束情況，可以利用多個橫向偏焦饋源來獲得符合特殊要求的天線方向圖，從而改變波束的形狀。目前，該技術(shù)已在工程實踐中得到了較為成熟的應用。

對于多波束覆蓋情況下，最窄的點波束決定了天線的口徑，目標覆蓋區(qū)域的尺寸則決定了饋源陣的大小。設計時，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行權(quán)衡。歐洲空客防務與航天公司（ADS）設計出一種有源靈活多波束反射面天線系統(tǒng)。該天線系統(tǒng)可以實現(xiàn)對每個波束輻射元的激勵都是完全獨立的，此外波束形成網(wǎng)絡具備可重構(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)絡產(chǎn)生的邊緣波束形狀失真、信號強度顯著降低的現(xiàn)象，而具備可重構(gòu)能力的波束形成網(wǎng)絡經(jīng)過優(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，此類天線用于靈活覆蓋的優(yōu)勢在于：①天線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)星中已得到成熟應用，該方案風險相對較低；②相比傳統(tǒng)模式下只能通過增加冗余天線來滿足需求，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)天線配置模式相比，高功率波束成形網(wǎng)絡存在不可忽略的損耗，因此需要更大的功率才能達到相同的等效全向輻射功率（EIRP），這也導致了效率上的折損；②雖然理論上有可能實現(xiàn)收發(fā)共用，但實際中，因為波束成形網(wǎng)絡在與饋源、雙工器封裝時的復雜度較大，導致絕大多數(shù)天線必須采用收發(fā)分置。

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

2）直接輻射陣列天線。該天線無需反射器，利用天線輻射元陣列和波束形成網(wǎng)絡直接形成點波束和賦形波束，通過移相器改變相位、功率分配網(wǎng)絡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。對于多波束情況，主要存在2種波束形成和調(diào)節(jié)機制，一是每個波束對應1個/多個陣元，具備相互獨立的波束形成和指向控制網(wǎng)絡，這種情況下天線的質(zhì)量和復雜程度正比于需要同時產(chǎn)生的波束數(shù)量，當需要同時產(chǎn)生的波束數(shù)較多時，就不太實用；二是所有波束共享1個公共的天線輻射元陣列，通過巴特勒矩陣在空間產(chǎn)生多個波束。從技術(shù)應用情況來看，國外目前僅在一些軍用衛(wèi)星和高復雜度的商業(yè)衛(wèi)星上采用了此類天線，如“銥”（Iridium）衛(wèi)星，造價昂貴。

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”（DRA-ELSA）的Ku頻段（14.25～14.5GHz）接收天線，采取上述第一種靈活賦形機制，由約100個輻射元經(jīng)過25:1的對應關(guān)系形成4個相互獨立點波束，波束的標準配置寬度為0.75°。根據(jù)任務需求，通過地面指令控制輻射元陣列的相位/幅度激勵配置，達到波束形狀可變而且能夠在衛(wèi)星可見視場范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)指向，具備靈活的覆蓋能力。整個天線系統(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，然后再組裝為整個陣列板。

DRA-ELSA天線按照不同任務需求，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，直接輻射陣列天線用于靈活覆蓋的優(yōu)勢在于：①可靠性高，所有的輻射元都可用于形成所有波束，在某個射頻通道失效或者期間器件老化導致波束指向不準的情況下，重新校準、糾錯能力較好；②抗干擾能力強，可精密控制天線輻射方向圖，可以實現(xiàn)低副瓣、自適應調(diào)零等功能，抑制各種上行有意敵對和無意干擾；③具有空間功率合成能力，天線每個輻射單元對應1個功放，多個輻射單元功放在空間合成的總功率比單個發(fā)射機的功率大得多，可以實現(xiàn)更高的EIRP值。

此類天線的主要弊端：①結(jié)構(gòu)復雜、造價昂貴。微波組件如發(fā)射/接收（T/R）組件、移相器、微波網(wǎng)絡數(shù)量眾多。②功耗和熱耗較大，由于天線中射頻通道數(shù)量較多，衛(wèi)星應用不同于地面系統(tǒng)應用，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)絡性能特點對比

3）波束成形網(wǎng)絡。如前所述，波束成形網(wǎng)絡是實現(xiàn)有源陣列天線靈活性的核心，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。但在多波束應用中，數(shù)字波束成形技術(shù)更利于未來構(gòu)建通用化、標準化的靈活載荷架構(gòu)。此外可形成的波束數(shù)量理論無上限，主要受饋源/輻射元陣列的數(shù)量約束。從這個角度來說，數(shù)字波束形成網(wǎng)絡是衛(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)量相對有限（一般小于32個），但技術(shù)實現(xiàn)難度較低，可以依靠跳波束技術(shù)實現(xiàn)容量的倍增，如典型的32個瞬時波束在8倍跳變下，可以最終覆蓋多達256個不同的潛在區(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)換的重要設備，也是實現(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。

美國勞拉空間系統(tǒng)公司結(jié)合當前衛(wèi)星不斷向Ku/Ka等高頻段應用拓展的背景，針對傳統(tǒng)模擬變頻器特點，提出了實現(xiàn)更寬頻率的適應性和敏捷調(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行適應性的調(diào)整，①要采用靈活的本地晶振，通過使用可選、可控本地晶振，使得工作本振頻率在多個本振源之間實現(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的雜波性能；③此外，要采用寬帶的低噪放大器（LNA），使得信號可以兼容更寬的帶寬。通過上述方案，可實現(xiàn)寬頻帶內(nèi)的靈活頻譜方案調(diào)整，但需要指出的是，多個備選本振源將帶來較大冗余成本，從而增大載荷負擔。

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，開始在通信系統(tǒng)預先研究－3～4（ARTES－3～4）計劃下針對寬帶衛(wèi)星開展敏捷/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工程樣機。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，通過對中頻的信道濾波器進行設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)實現(xiàn)復雜的頻率變換方案。

（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條件下，通過外加條件的改變來配置工作模式，實現(xiàn)中心頻率、帶寬、零點等特性的實時調(diào)控，從而適應不同的應用需求。國外對于地面通信系統(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w二極管、對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)星通信領域開展研究與應用的極少。

目前來看，國外主要以歐洲泰雷茲－阿萊尼亞航天公司為代表，在衛(wèi)星靈活濾波器領域與學術(shù)界開展了一些合作研究。

射頻微機電濾波器是一種將電容、電感、開關(guān)等無源器件單片集成而得到的功耗低、線性度高的電調(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電系統(tǒng)開關(guān)和電容組合而成的開關(guān)網(wǎng)絡作為調(diào)諧元件，通過微機電系統(tǒng)開關(guān)來改變開關(guān)電容網(wǎng)絡的電容值，從而改變?yōu)V波器的中心頻率。由于微機電系統(tǒng)開關(guān)的數(shù)量決定了整個開關(guān)電容網(wǎng)絡的可變?nèi)葜禂?shù)量，所以這種濾波器的中心頻率是有限個離散的頻率點，其優(yōu)點是中心頻率的可調(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，步長約0.1GHz）與帶寬調(diào)整幅度，而且具備小尺寸、低損耗的特點。

泰雷茲－阿萊尼亞航天公司與法國國家空間研究中心（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（SIW）陶瓷的調(diào)諧濾波器是另一種解決途徑?；刹▽Ъ夹g(shù)主要通過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)特性的新型導波結(jié)構(gòu)。泰雷茲－阿萊尼亞航天公司開發(fā)的該濾波器主要計劃通過可變?nèi)莸腜IN二極管對開路枝節(jié)進行切換就改變諧振器間的耦合，從而實現(xiàn)不同的帶寬。但目前仍處于研究階段，尚未有工程樣機和應用對外公布?？傮w而言，靈活的濾波器對于星上頻率方案的管理和調(diào)整十分重要，是實現(xiàn)載荷靈活性的關(guān)鍵設備之一。

（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，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)特性對衛(wèi)星整體運行效率影響極大。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。其實現(xiàn)主要依靠優(yōu)化設計螺旋線的行波管、電子功率調(diào)節(jié)器（EPC）和帶增益補償?shù)木€性通道放大器（LCAMP）的配合，原理是通過功率調(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)進行調(diào)節(jié)。

目前，國外進行空間功率可調(diào)放大器研究的機構(gòu)主要有法國泰雷茲－阿萊尼亞航天公司和德國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；后者則以整機研制為主。2009年，泰雷茲－阿萊尼亞航天公司在ESA的ARTES－3項目框架下開展了Ku頻段功率可調(diào)線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)線性通道行波管放大器性能

德國特薩特空間通信公司針對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器采用回退法控制功率導致功放效率降低、熱耗增加的現(xiàn)象，在2009年開發(fā)了一種功率可調(diào)的微波功率模塊（MPM），其飽和功率可通過在軌功率調(diào)節(jié)器（IOA）的64個狀態(tài)設置實現(xiàn)對輸出功率的小步長（1W/每步）的精確控制。目前，該模塊已經(jīng)成功應用于英國Ka頻段的高適應性衛(wèi)星－1（Hylas－1）上。該衛(wèi)星通過地面發(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)，行波管的效率沒有明顯的下降。

總體而言，國外在功率可調(diào)放大器技術(shù)方面的研究已取得了較大的進展，最廣泛應用于Ku/Ka等高頻段衛(wèi)星鏈路對抗雨衰進行的自適應調(diào)整中。目前來看，功率調(diào)節(jié)對行波管性能的影響主要是增益下降，對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，對線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60年代的巴特勒（Butler）矩陣理念，于1974年由美國通信衛(wèi)星公司（COMSAT）的實驗室首次應用于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器中。此后，日本的研究機構(gòu)對基于Butler矩陣的多端口放大器進行了改進，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矩陣不需要多個固定相移器，具有設計簡單、插入損耗小、隔離度好等特點，成功應用于日本2000年發(fā)射的“多用途運輸衛(wèi)星”（MTSAT）上，但并不具備靈活功率分配能力。

空客防務與航天公司開發(fā)的多端口放大器接線結(jié)構(gòu)（上）和輸入/輸出網(wǎng)絡電路板（下）

目前，靈活的多端口放大器主要適用于每個波束單獨饋電的多波束天線。其結(jié)構(gòu)中包括多個并聯(lián)的放大器單元，每個輸入端口的信號都被均等地提供給了每個放大器單元，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態(tài)的且以高度靈活的方式共享輸出功率，為實現(xiàn)衛(wèi)星通信多波束天線波束發(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，同時也減小了由單個功放失效所帶來的影響。

歐洲空客防務與航天公司在ESA的ARTES－5.2計劃下，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（INET）、輸出功率集成網(wǎng)絡（ONET）和包含多個并行放大器的功率冗余網(wǎng)絡組成，可以在軌實現(xiàn)靈活的功率分配能力。

總體而言，多端口放大器因為具備良好的多級同步長功率調(diào)節(jié)能力，已在多類通信衛(wèi)星中得到廣泛應用。相比功率可調(diào)型放大器，其在衛(wèi)星多波束覆蓋的場景下使用的經(jīng)濟性更高。目前，國外成熟的多端口放大器產(chǎn)品集中在S、L等移動通信頻段，隨著高通量衛(wèi)星應用的增多，從2010年左右逐步啟動研制Ku、Ka等高頻段的對應產(chǎn)品。未來，多端口放大器在放大部分采用多個并行的靈活功率可調(diào)放大器也開始受到關(guān)注，兩者的結(jié)合，可以進一步提升功率調(diào)整范圍與精細度，是業(yè)界的重點技術(shù)攻關(guān)方向。（未完，待續(xù)）