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，每信道速率低則100 Mb/s，最高可達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。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。

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)議標準的終端在多個信關(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)務傳輸?shù)母黜椥阅苤笜?，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，標志著全球首個采用Q/V頻段提供商業(yè)通信服務的衛(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)將達一萬余顆，旨在提供全球無縫覆蓋的寬帶通信服務。

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。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，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。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)星通信應用也將愈加廣泛，從傳統(tǒng)的固定衛(wèi)星通信業(yè)務向船載、機載等寬帶移動通信業(yè)務發(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。

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致衰減變得越為嚴重；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，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重，遠遠超過下行鏈路，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)計時預留上行功率冗余，系統(tǒng)運行時通過對衛(wèi)星信標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估，根據(jù)預估結(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)星仰角達到一定數(shù)值時，將會造成高達20 dB以上的衰減，直接導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，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，但這意味著重復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)傳播條件和流量負載的不同將用戶終端分配給不同的網(wǎng)關(guān)，當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。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，當某一信關(guān)站遇到傳輸障礙時，對應的用戶波束還可以接入提前預設(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，但某波束的服務完全不可用變得不太可能，因為它需要服務于波束的所有網(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到給定的吞吐量需求而相應地增加數(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。國外受限于實際應用，固態(tài)功放應用不多，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用需求[14]；再結(jié)合其高效率空間功率合成技術(shù)、預失真線性化技術(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損耗小的特點，同時發(fā)揮波導阻抗變換靈活的優(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，當合成的單元數(shù)達到一定程度后，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)，而是取決于當前輸入信號與過去輸入信號共同形成的有記憶效應的短暫歷史包絡(luò)電平[16]。功率放大器在有記憶效應狀態(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，在不增加成本的同時提高了放大器可用的輸出功率。微波功率放大器預失真如圖12所示。

圖12 微波功率放大器預失真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失真、空間合成技術(shù)和GaN半導體技術(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，半導體芯片代表了微波產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，采用半導體功率放大器技術(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用的GaN MMIC技術(shù)，多路數(shù)、高效率、波導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失真器而實現(xiàn)輸入信號線性放大的預失真線性化技術(shù)，為后續(xù)的大規(guī)模應用積累了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。