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(lái)越重要的作用，機(jī)載通信、海上通信、工業(yè)通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)回傳和物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)對(duì)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(dòng)著通信容量、帶寬與傳輸速率需求的增長(zhǎng)，高通量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)(HTS)因此發(fā)展迅速。而未來(lái)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(shì)，但也帶來(lái)了系統(tǒng)抗雨衰、高頻射頻器件不成熟等問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)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(duì)通過(guò)綜合網(wǎng)絡(luò)管理與控制系統(tǒng)實(shí)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(shí)，針對(duì)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(duì)對(duì)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(guò)對(duì)國(guó)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(shì)

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(shí)可減少通信傳輸成本。

隨著更高通信吞吐量需求的增長(zhǎng)，具備高帶寬、大容量、窄波束和低成本等優(yōu)勢(shì)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(duì)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(guó)及其盟友國(guó)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(shí)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(shí)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(gè)特殊實(shí)驗(yàn)載荷于2016年3月開(kāi)展了極高頻(EHF)通信測(cè)試，測(cè)試的主要目標(biāo)在于對(duì)40～50 GHz頻段的通信性能進(jìn)行驗(yàn)證分析。實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)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(yàn)證了自適應(yīng)編碼調(diào)制(Adaptive Coding and Modulation，ACM)技術(shù)，測(cè)試場(chǎng)景為使用遵循DVB-S2協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的終端在多個(gè)信關(guān)站之間進(jìn)行通信；與此同時(shí)讓衛(wèi)星搭載的有效載荷對(duì)鏈路情況進(jìn)行實(shí)施監(jiān)視，用以評(píng)估波束動(dòng)態(tài)調(diào)整的方法[2]。Eutelsat成為首個(gè)在其Eutelsat 65 West A衛(wèi)星上測(cè)試Q/V頻段通信的運(yùn)營(yíng)商。

1.1.3 Q/V-LIFT 項(xiàng)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(lái)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(gè)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(gè)點(diǎn)波束以及2個(gè)可自動(dòng)切換的轉(zhuǎn)發(fā)器通道，用于無(wú)線電波信號(hào)在波束間動(dòng)態(tài)切換，實(shí)現(xiàn)與地面多個(gè)信關(guān)站間的智能分集，同時(shí)也采用了2次變頻與10 W固態(tài)功放方案。ASI還啟動(dòng)了Q/V頻段高通量系統(tǒng)地面部分連接試驗(yàn)(Q/V Band Earth Segment Link for Future High Throughput Space Systems，Q/V-LIFT)項(xiàng)目，用于測(cè)試Q/V頻段衛(wèi)星星座星地通信、站點(diǎn)之間寬帶業(yè)務(wù)傳輸?shù)母黜?xiàng)性能指標(biāo)，以評(píng)估惡劣大氣條件對(duì)系統(tǒng)性能的具體影響。這些數(shù)據(jù)將打造未來(lái)GEO衛(wèi)星的寬帶通信模式，且有望實(shí)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(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(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(yùn)行許可，標(biāo)志著全球首個(gè)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(yùn)營(yíng)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(gè)信關(guān)站的傳輸能力更強(qiáng)，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(yùn)營(yíng)商提交了Q/V頻段NGSO衛(wèi)星星座建設(shè)申請(qǐng)文件，衛(wèi)星總數(shù)將達(dá)一萬(wàn)余顆，旨在提供全球無(wú)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(jì)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(jì)劃開(kāi)發(fā)和運(yùn)營(yíng)一個(gè)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(jì)劃發(fā)射1 396顆Q/V頻段衛(wèi)星，運(yùn)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(jì)劃

SpaceX于2017年提出了“Starlink”NGSO星座計(jì)劃，星座將采用7 518顆Q/V頻段衛(wèi)星，軌道高度不超過(guò)400 km，星間將創(chuàng)新地采用激光鏈路進(jìn)行通信，用以增強(qiáng)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(guò)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(guó)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(jìn)行通信速率、通信性能等業(yè)務(wù)與技術(shù)的測(cè)試與驗(yàn)證[5]。

1.3 Q/V頻段發(fā)展趨勢(shì)

隨著GEO衛(wèi)星向大容量、星座化發(fā)展，眾多NGSO星座開(kāi)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(jī)載等寬帶移動(dòng)通信業(yè)務(wù)發(fā)展，并融合地面移動(dòng)通信，實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋的移動(dòng)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(shì)的Q/V頻段，將會(huì)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)回傳、熱點(diǎn)信息廣播推送、個(gè)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(shí)，從國(guó)內(nèi)外各大運(yùn)營(yíng)商/研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展的Q/V頻段驗(yàn)證測(cè)試的情況來(lái)看，Q/V頻段由于頻段高，受到雨衰的影響較大，運(yùn)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(jìn)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(diǎn)

Q/V頻段存在的主要技術(shù)難點(diǎn)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(wú)線電波信號(hào)傳輸過(guò)程中受降雨影響嚴(yán)重是采用Q/V頻段進(jìn)行通信的最大問(wèn)題，鏈路通信質(zhì)量迅速變差甚至中斷。雨衰是無(wú)線電波受到雨滴的吸收和散射而造成，頻段越高，無(wú)線電波信號(hào)會(huì)因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)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(qiáng)。根據(jù)ITU-RP.618-12規(guī)則計(jì)算出在降雨量為47 mm/h時(shí)Q/V頻段的雨衰情況如圖3所示。由此可以看出，降雨對(duì)Q/V高頻段信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響十分顯著，所以必須采用高效的雨衰補(bǔ)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(duì)功放的輸出功率及線性設(shè)計(jì)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(duì)整機(jī)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(jì)

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(duì)Q/V頻段高通量寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)信號(hào)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(jìn)行補(bǔ)償；大氣損耗中，降雨對(duì)Q/V頻段使用的影響最大——信號(hào)在受到雨滴的吸收和散射時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減，Q/V頻段頻率高，其信號(hào)波長(zhǎng)更接近雨滴1.5 mm的大小，比C/Ku/Ka頻段信號(hào)的衰減更為嚴(yán)重。因此，需采用有效的抗雨衰技術(shù)以補(bǔ)償降雨帶來(lái)的信號(hào)衰減甚至通信中斷，雨衰補(bǔ)償技術(shù)主要有以下3項(xiàng)：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(guò)下行鏈路，故通常采用提高信關(guān)站上行鏈路EIRP的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)降雨衰減的補(bǔ)償，進(jìn)而提高鏈路的可用率。上行功率自動(dòng)控制是增大EIRP最有效的方式。具體實(shí)現(xiàn)方式是：在信關(guān)站設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留上行功率冗余，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信標(biāo)以及其他載波信號(hào)自動(dòng)實(shí)時(shí)的檢測(cè)而獲得降雨情況下的衰減值，根據(jù)衰減值對(duì)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(bǔ)償降雨對(duì)信號(hào)所帶來(lái)的損耗。

開(kāi)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(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)是采用獨(dú)立測(cè)量的方法來(lái)對(duì)鏈路的衰減值進(jìn)行預(yù)估，根據(jù)預(yù)估結(jié)果對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，對(duì)鏈路衰減量的估算是開(kāi)環(huán)控制過(guò)程中最核心的部分，包含2種實(shí)現(xiàn)方法：① 通過(guò)接收的信標(biāo)信號(hào)電平；② 根據(jù)天線噪聲溫度的測(cè)算結(jié)果。閉環(huán)控制通過(guò)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(hào)或者地面控制中心站發(fā)來(lái)的指令來(lái)預(yù)估上行鏈路的衰減情況，并以此進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。反饋環(huán)控制則主要是通過(guò)信關(guān)站與中心站之間信號(hào)電平等信令的交互來(lái)實(shí)現(xiàn)中心站針對(duì)全網(wǎng)信關(guān)站功率調(diào)整指令的統(tǒng)一下發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)各信關(guān)站對(duì)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(guò)增加發(fā)射功率的方式無(wú)法完全補(bǔ)償降雨帶來(lái)的信號(hào)衰減時(shí)，信關(guān)站根據(jù)信號(hào)衰減程度自適應(yīng)動(dòng)態(tài)改變編碼方式及調(diào)制級(jí)別，保障信號(hào)傳輸暢通[8]；在下行鏈路中，信關(guān)站自動(dòng)接收鏈路狀態(tài)信息，當(dāng)信關(guān)站或終端遭遇降雨時(shí)，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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)通知端站選用調(diào)制和編碼級(jí)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(shí)又自動(dòng)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(qiáng)度與衛(wèi)星仰角達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，將會(huì)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(diǎn)分集的技術(shù)被采用，最初的站點(diǎn)分集方案架構(gòu)比較簡(jiǎn)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(jìn)行管理[9]，每個(gè)波束由一個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理與服務(wù)，通過(guò)為每個(gè)信關(guān)站提供備份網(wǎng)關(guān)而實(shí)現(xiàn)冗余，以確保每個(gè)波束無(wú)論何時(shí)都能接受到正常運(yùn)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(duì)饋電鏈路只能進(jìn)行有限的信號(hào)補(bǔ)償，缺乏對(duì)在整個(gè)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(shí)現(xiàn)在一個(gè)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(hào)衰減時(shí)可以自動(dòng)快速接入另外的網(wǎng)關(guān)。出于對(duì)傳統(tǒng)彎管寬帶多波束衛(wèi)星設(shè)計(jì)的考慮，為了實(shí)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(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線電頻率的強(qiáng)靈活性設(shè)計(jì)。

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

①N+0：第1種設(shè)計(jì)是為每個(gè)用戶波束提供來(lái)自不同網(wǎng)關(guān)管理的載波，該機(jī)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(jì)依賴于網(wǎng)關(guān)端激活一些額外容量的使用，以彌補(bǔ)因網(wǎng)關(guān)通道衰減程度過(guò)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(duì)網(wǎng)關(guān)與用戶波束進(jìn)行了分集，當(dāng)某一信關(guān)站遇到傳輸障礙時(shí)，對(duì)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(lái)自沒(méi)有信號(hào)衰減的網(wǎng)關(guān)的載波，一個(gè)網(wǎng)關(guān)的中斷或容量減少會(huì)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?yàn)樗枰?wù)于波束的所有網(wǎng)關(guān)的中斷。系統(tǒng)可用性的改進(jìn)取決于參與分集方案的網(wǎng)關(guān)數(shù)量。

(2)工作過(guò)程

用戶對(duì)不同載波和網(wǎng)關(guān)的切換可以分為3個(gè)階段：

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

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(shí)時(shí)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(duì)饋電鏈路的影響。與N+ 0分集設(shè)計(jì)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(shí)也意味著由于地面站數(shù)目較多，需要增加一定的費(fèi)用。

每個(gè)網(wǎng)關(guān)可以服務(wù)一個(gè)由k個(gè)用戶波束組成的集群。如果配置相同的P個(gè)額外的網(wǎng)關(guān)可以連接到既有的N個(gè)用戶波束集群，那么當(dāng)某個(gè)信關(guān)站遇到通信衰減時(shí)，其固定連接的波束集群可以接入到某個(gè)冗余的信關(guān)站。N+P結(jié)構(gòu)的一個(gè)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(jī)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(diǎn)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(guó)外受限于實(shí)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(guó)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(jìn)行單片功率疊加，提升其合成效率即可實(shí)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(jì)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(shí)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(shì)，可在V頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)過(guò)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(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 固態(tài)功放與行波管功放技術(shù)特點(diǎn)對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換成空間分布的場(chǎng)結(jié)構(gòu)，空間場(chǎng)內(nèi)具有三維的寬帶天線陣列、三維的芯片陣列以及對(duì)稱的天線陣列，這3個(gè)陣列共同完成了微波信號(hào)的空間功率合成，其中三維寬帶天線陣列完成信號(hào)能量的耦合與分配，三維芯片陣列完成輸入信號(hào)的放大，對(duì)稱天線陣列完成放大后信號(hào)的合成并將信號(hào)傳送到輸出端[15]。由于天線陣列分布在空間場(chǎng)內(nèi)，其本質(zhì)上是一個(gè)N合一的大規(guī)模并行合成陣列，其合成損耗與單獨(dú)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(shí)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(diǎn)，同時(shí)發(fā)揮波導(dǎo)阻抗變換靈活的優(yōu)勢(shì)，實(shí)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。空間功率合成示意如圖8所示。

空間功率合成的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)多路直接合成，而不是通過(guò)二叉樹(shù)多級(jí)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(jí)的二叉樹(shù)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(duì)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(shù)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(lái)表征。在輸入信號(hào)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(hào)幅度的函數(shù)如圖10所示。

圖10 功率放大器在無(wú)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(hào)的包絡(luò)頻率以及相位特性會(huì)影響功率放大器的輸出信號(hào)幅度。功率放大器的輸出隨著信號(hào)帶寬的增加，不再只是輸入信號(hào)的即時(shí)特定函數(shù)，而是取決于當(dāng)前輸入信號(hào)與過(guò)去輸入信號(hào)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(hào)產(chǎn)生非線性失真，帶來(lái)的影響是帶內(nèi)誤碼率升高以及帶外頻譜擴(kuò)展。對(duì)功率放大器線性度的要求隨著系統(tǒng)調(diào)制級(jí)別的上升而升高，簡(jiǎn)單地通過(guò)回退的方法，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成極大的資源浪費(fèi)。而微波功率放大器成本昂貴，也會(huì)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(gè)與功放特性互逆的預(yù)失真器，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的線性放大。

為了在不增加芯片數(shù)量的前提下，進(jìn)一步提高放大器的線性度，放大器的前級(jí)將加入模擬預(yù)失真模塊，對(duì)功率放大器的非線性特性進(jìn)行補(bǔ)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(shí)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(guò)開(kāi)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(jìn)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(zhǎng)，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，使用該技術(shù)將會(huì)大大地提高微波設(shè)備的質(zhì)量與可靠性。同時(shí)，半導(dǎo)體芯片代表了微波產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，采用半導(dǎo)體功率放大器技術(shù)將會(huì)帶來(lái)易于批量生產(chǎn)和降低成本的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

Q/V頻段是未來(lái)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(diǎn)將促使其在全球?qū)拵l(wèi)星通信系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)營(yíng)以及與地面通信系統(tǒng)融合應(yīng)用的過(guò)程中占據(jù)越來(lái)越大的比重。休斯、Eutelsat以及眾多的國(guó)外低軌衛(wèi)星星座已經(jīng)啟動(dòng)了Q/V頻段通信系統(tǒng)的建設(shè)，并開(kāi)展了以QV-LIFT為代表的試驗(yàn)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(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的研究。目前國(guó)內(nèi)發(fā)射Q/V頻段衛(wèi)星的只有銀河航天，起步相對(duì)較晚。

文中借鑒國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，首先針對(duì)Q/V頻段受雨衰影響嚴(yán)重的問(wèn)題，研究了開(kāi)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(jìn)行靈活切換的ACM技術(shù)，以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信關(guān)站實(shí)時(shí)智能分配的智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)；此外，針對(duì)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(gè)與功放特性互逆的預(yù)失真器而實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)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)。