李 彪，吳 歡，崔 蕾，李 巖，周 穎，萬繼響

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

低軌衛(wèi)星軌道高度低、因此具有傳輸時延低以及路徑損耗小的特點，可用于小型化用戶終端，低軌衛(wèi)星按照一定的星座布局組成衛(wèi)星系統(tǒng)時，可提供全球無縫覆蓋。自Iridium第一代衛(wèi)星系統(tǒng)在1998年建成以來，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)開始快速發(fā)展。在20世紀(jì)末，以Iridium和GlobalStar等系統(tǒng)為代表的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)成功組網(wǎng)運行，并相繼部署了第二代系統(tǒng)[1-4]；近年來，以Starlink為代表的新一代低軌衛(wèi)星系統(tǒng)也迅速發(fā)展[5]，截至2022年7月，Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)的在軌衛(wèi)星數(shù)量已經(jīng)超過2700顆。

目前，國內(nèi)以航天科技、航天科工集團(tuán)為代表的衛(wèi)星制造企業(yè)相繼提出了低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)，包括鴻雁、虹云等衛(wèi)星星座，并在2019—2020年相繼發(fā)射了試驗衛(wèi)星[6]。中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司的成立標(biāo)志著我國的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和相關(guān)的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入了發(fā)力階段[7]。低軌衛(wèi)星繞地球飛行，會經(jīng)過大城市人口密集區(qū)域及山區(qū)海洋等，其業(yè)務(wù)隨時間的變化范圍大；對于衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)，采用全球無縫的波束覆蓋使用戶可以隨時接入[8-9]；對于下行業(yè)務(wù)，波束功率調(diào)配能力可以使系統(tǒng)具備更強(qiáng)靈活性和服務(wù)能力，并能有效減少整星功耗。因此，對于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的移動通信業(yè)務(wù)而言，全球無縫覆蓋的波束間干擾、波束頻率資源分配及波束的功率動態(tài)調(diào)配等就是與衛(wèi)星系統(tǒng)性能直接相關(guān)的幾項關(guān)鍵問題。

基于現(xiàn)有的公開的文獻(xiàn)資料調(diào)研，GlobalStar I代、GlobalStar II代及Iridium I代衛(wèi)星均采用子陣形式的區(qū)域波束形成，硬件構(gòu)架使得系統(tǒng)的功率調(diào)配能力非常有限。Iridium Next系統(tǒng)采用平面陣列方案，陣面所有單元均參與波束形成，采用基于巴特勒矩陣的模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)，功率調(diào)配能力有限[10]，在公開的文獻(xiàn)資料中并未對波束排列和頻率分配方案及功率集中能力進(jìn)行描述。GlobalStar I代、GlobalStar II代及Iridium I代和Iridium NEXT系統(tǒng)均采用了針對業(yè)務(wù)變化的功放電壓調(diào)整技術(shù)來提高回退狀態(tài)下的效率，但基于PHEMT工藝的功放組件靜態(tài)功耗較高[11]，在業(yè)務(wù)較少時的功耗節(jié)省作用有限。

本文提出了一種適用于低軌衛(wèi)星星座的波束排布及優(yōu)化設(shè)計方法，采用地球匹配波束設(shè)計，可實現(xiàn)更好的鏈路質(zhì)量和覆蓋效率，其各項指標(biāo)與傳統(tǒng)設(shè)計方法對比情況如表1所列。在下行波束設(shè)計中，采用唯相位加權(quán)的優(yōu)化設(shè)計方法，共52波束，12色復(fù)用，在滿足波束增益及波束間C/I指標(biāo)的基礎(chǔ)上，單波束輸出功率可在靜默至滿功率之間調(diào)整。針對衛(wèi)星在軌業(yè)務(wù)分配不均勻?qū)е掳l(fā)射功率動態(tài)范圍大的特點，提出了一種基于星上自適應(yīng)的功放功率隨動技術(shù)，提高了功放平均效率，降低了整星功耗。

表1 本文設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計對比

1 波束優(yōu)化設(shè)計方法

本文以鴻雁星座波束設(shè)計進(jìn)行分析，星座共包含54顆衛(wèi)星，運行于1100公里高度，分布在6個軌道面，每個軌道面9顆衛(wèi)星，軌道傾角為86°，單星覆蓋范圍為±58°錐角。通信業(yè)務(wù)采用基于數(shù)字波束形成(digital beam forming,DBF)技術(shù)的L頻段相控陣天線，在波束設(shè)計中為了使落地電平在衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)的起伏盡量小、形成有效覆蓋并盡量減少天線功耗，通過權(quán)值賦形每顆衛(wèi)星可形成52個地球匹配波束，衛(wèi)星覆蓋區(qū)邊緣與星下點的路徑損耗相差9dB[12]，如圖1所示為以星下點歸一的星下覆蓋區(qū)路徑損耗曲線。

圖1 衛(wèi)星覆蓋區(qū)歸一化路徑損耗曲線Fig.1 Normalized path loss curve of satellite coverage area

首先，根據(jù)系統(tǒng)鏈路需求，分解對天線波束性能需求，包含波束增益、覆蓋區(qū)范圍、波束數(shù)量及波束C/I等。將星座分為若干軌道面，為避免異軌衛(wèi)星覆蓋區(qū)的同頻波束交疊，相鄰軌道面衛(wèi)星的工作頻率不同。對于單個星內(nèi)，分為多個波束，波束采用多色復(fù)用來提高頻率資源利用率，在同頻波束之間保留一定的空間間隔，且在波束優(yōu)化時需要對同頻波束區(qū)域的增益進(jìn)行抑制來盡量提高C/I。對于同一軌道面，在波束排布時，同頻波束也具有一定的空間隔離。針對下行波束，采用波束的唯相位加權(quán)來提高發(fā)射組件的工作效率。

對于覆蓋區(qū)邊緣波束的副瓣，由于低軌衛(wèi)星星下點和覆蓋區(qū)邊緣的星地距離差異大，導(dǎo)致其對星下波束會造成較大的干擾，在下行波束采用等幅度激勵權(quán)值的唯相位加權(quán)優(yōu)化方法后，波束的賦形能力下降，使影響更加惡化[13]。為了滿足C/I≥18dB的指標(biāo)要求，本文提出的方法采用了不等次數(shù)的頻率復(fù)用設(shè)計。單個衛(wèi)星一共形成52個波束，中心波束覆蓋區(qū)半張角為32°，第二圈波束覆蓋區(qū)半張角范圍為32°～48°，邊緣波束覆蓋區(qū)半張角范圍為48°～58°，如圖2(a)所示。其中，星下的1～4號波束每波束使用1個頻率，共使用4色；剩余的48個波束復(fù)用8個頻率，每個頻率復(fù)用6次。如圖2(b)所示為相同軌道的前后兩顆衛(wèi)星的波束交疊示意圖，同頻波束不存在交疊且具有一定的空間隔離。對于不同軌道衛(wèi)星，相鄰軌道的衛(wèi)星使用不同的頻率，不存在同頻率干擾問題，在整個衛(wèi)星系統(tǒng)中，通過對頻率資源進(jìn)行均衡來提高頻率資源利用效率。

圖2 單星12色復(fù)用波束劃分示意圖及同軌道相鄰衛(wèi)星波束交疊情況Fig.2 Schematic diagram of single satellite 12 color multiplexing beam division and beam overlap of adjacent satellites in the same orbit

2 功率隨動技術(shù)

固定偏壓的功放效率曲線如圖3所示，隨著輸出功率的提高，其效率也逐漸提高，在接近飽和時效率達(dá)到最大，此時再繼續(xù)增大輸入，功放將出現(xiàn)飽和失真，多余的能量以諧波的形式出現(xiàn)，從而導(dǎo)致效率降低。

圖3 固定偏壓的功放效率曲線Fig.3 Power amplifier efficiency curve with fixed bias

低軌衛(wèi)星業(yè)務(wù)變化較大，發(fā)射通道處于小信號輸出工作狀態(tài)甚至無輸出狀態(tài)的時間占比大，如果采取通常的固定偏壓形式，功放將長時間工作于較低的效率區(qū)間。不過，隨著供電電壓值的變化，功放的功率附加效率/輸出功率曲線的峰值點會發(fā)生變化，圖4顯示了不同電壓下的功率附加效率/輸出功率關(guān)系曲線，可以看出峰值效率的輸出功率隨著供電電壓的增大而增大。

圖4 不同供電電壓下PAE與輸出功率之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between PAE and output power under different voltages

根據(jù)輸出信號功率的變化實時地調(diào)整功放漏極或集電極偏置電壓，可以使放大器盡可能長時間工作于效率較高的區(qū)域。偏壓調(diào)整的功放效率如圖5綠線所示，可以看出隨輸出功率適當(dāng)調(diào)整電壓后，實際功率附加效率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)工作模式(紅線)。

圖5 固定偏壓與調(diào)整偏壓功放效率對比Fig.5 Comparison of power amplifier efficiency between fixed bias and adjusted bias

通過反復(fù)迭代，為不同輸出功率尋找最優(yōu)化的供電電壓值，使其在輸出功率、效率和線性度之間得以平衡，最終可以得到一組輸出功率與最優(yōu)化供電電壓的對應(yīng)關(guān)系，如圖6所示。通過衛(wèi)星業(yè)務(wù)處理器根據(jù)業(yè)務(wù)量多少(反映在發(fā)射通道的輸入電平上)通過指令實時調(diào)節(jié)電源的輸出電壓，整個系統(tǒng)形成功率跟蹤的自閉環(huán)。

圖6 最優(yōu)化供電電壓值與輸出功率的對應(yīng)關(guān)系Fig.6 Optimize the relationship between supply voltage and output power

3 設(shè)計結(jié)果與分析

3.1 波束設(shè)計結(jié)果

天線陣列包含108個單元，采用三角形布陣，共9行12列，如圖7所示。發(fā)射天線采用唯相位加權(quán)優(yōu)化，所有單元等幅度激勵，接收天線采用幅相優(yōu)化。

圖7 天線陣列布局Fig.7 Antenna array layout

波束滿足等通量地球匹配設(shè)計，如圖8(a)所示，52個波束沿徑向方向切面在對應(yīng)覆蓋區(qū)邊緣位置的增益高于22dB，邊緣波束峰值增益大于22.5dB。圖8(b)中所示為從衛(wèi)星視角投影在地球表面的發(fā)射波束落地指標(biāo)要求電平覆蓋范圍示意圖，可以看出發(fā)射波束可以滿足對星下±58°錐角對應(yīng)范圍的100%覆蓋。

圖8 發(fā)射波束等增益覆蓋范圍Fig.8 Equal gain coverage of transmit beam

圖9中所示為發(fā)射波束在單星覆蓋區(qū)內(nèi)的C/I設(shè)計結(jié)果，可以看出，在覆蓋區(qū)范圍內(nèi)波束C/I優(yōu)于18dB。其中中心的4個波束每個波束使用了獨立頻段，不存在復(fù)用，因此在圖中未畫出。

在本文中，為了提高發(fā)射組件效率，發(fā)射波束采用等幅度唯相位加權(quán)方式，在覆蓋區(qū)均勻功率模式工作時，52個發(fā)射波束輸出功率相同，為總發(fā)射功率的1/52；天線采用數(shù)字波束形成，在用戶數(shù)量少或者相對比較集中時，可以通過波束-信道映射配置僅使少量波束工作，也可以將天線功率集中于少量波束中，如圖10所示。對于單波束而言，可以通過權(quán)值影射來關(guān)閉波束，或?qū)⑺泄β始兄烈粋€波束。

圖9 發(fā)射波束C/I大于18dB范圍(中心4波束未畫出)Fig.9 C/I of transmission beam is greater than 18dB (center 4 beam is not shown)

圖10 DBF相控陣天線波束-信道映射原理圖Fig.10 Schematic diagram of DBF phased array antenna beam channel mapping

3.2 星上自主功率控制

PT_IF為衛(wèi)星業(yè)務(wù)處理器輸出的中頻信號功率，通過相控陣天線發(fā)射通道變頻、放大后為衛(wèi)星下行業(yè)務(wù)總功率P0，射頻通道具有固定增益，因此PT-IF與P0一一對應(yīng)。根據(jù)業(yè)務(wù)量可確定所需求的下行總功率，并確定中頻信號功率，在衛(wèi)星業(yè)務(wù)處理器內(nèi)部通過最優(yōu)化供電電壓值與功率的對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電源電壓調(diào)整指令Vt；接著，發(fā)射組件電源調(diào)整發(fā)射功放對應(yīng)于該業(yè)務(wù)狀態(tài)的供電電壓值Vcc。這樣，就完成了發(fā)射功放供電電壓與相應(yīng)輸出功率隨業(yè)務(wù)量的自閉環(huán)調(diào)整，達(dá)到了節(jié)省功耗并且高效的設(shè)計策略。星上自主功率控制的原理框圖如圖11所示。

圖11 相控陣天線SSPA調(diào)壓原理示意圖Fig.11 Schematic diagram of SSPA voltage regulation principle of phased array antenna

相較于傳統(tǒng)的贗調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(pseudomorphic high electron mobility transisto,PHEMT)工藝的功率放大芯片而言，異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(heterojunction bipolar transistor,HBT)工藝的功率放大芯片具有高線性度，高效率及高動/靜態(tài)電流比的特點[14]。其中HBT功放的靜/動態(tài)電流之比可高達(dá)1:10，這意味著實現(xiàn)同樣的輸出能力，HBT功放的靜態(tài)電流可遠(yuǎn)小于PHEMT功放。針對低軌衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)隨時間變化導(dǎo)致發(fā)射組件輸出功率長時間工作于回退狀態(tài)的特點，靜態(tài)電流更低的HBT工藝功放可以使整星能源更高效的利用。在此基礎(chǔ)上，對其電壓進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步提高回退工作下的效率，降低整星功耗。

傳統(tǒng)PHEMT工藝的功放需系統(tǒng)額外補償調(diào)壓過程帶來的性能變化，對于HBT功放，其基極電壓保持不變，根據(jù)輸出功率調(diào)整集電極電壓。此狀態(tài)下功放靜態(tài)工作點不變，增益基本不變[15]。HBT功放調(diào)壓前后在輸出功率相同時，其電流基本不變，而隨著供電電壓降低，功耗降低，從而達(dá)到提高效率的目的。

采用集電極調(diào)壓方式后，末級功放平均功耗可降低30%以上。

4 結(jié)論

針對低軌衛(wèi)星單星覆蓋區(qū)內(nèi)路徑差異大、衛(wèi)星業(yè)務(wù)分配不均和工作動態(tài)范圍大的問題，提出了一種適用于低軌衛(wèi)星的波束優(yōu)化設(shè)計方法，采用地球匹配波束設(shè)計，來實現(xiàn)更好的鏈路質(zhì)量和覆蓋效率。在下行波束設(shè)計中，通過唯相位加權(quán)優(yōu)化設(shè)計方法，在滿足波束增益要求及波束間C/I的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了單波束功率由0%～100%的調(diào)整能力。針對低軌衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)隨時間變化導(dǎo)致發(fā)射組件輸出功率長時間工作于回退狀態(tài)的特點，提出了一種通過衛(wèi)星業(yè)務(wù)處理器實現(xiàn)業(yè)務(wù)量變化與功放的最佳效率供電電壓匹配調(diào)整的星上自適應(yīng)功放功率隨動技術(shù)，選用高線性度，高效率及高動/靜態(tài)電流比的HBT功放芯片，在充分利用其低靜態(tài)電流的優(yōu)勢基礎(chǔ)上，根據(jù)輸出功率適時調(diào)整其偏壓，使得功放平均效率有效提高，減少了天線的平均功耗和熱耗，對于輕量化、小型化的低軌衛(wèi)星具有重要意義。