第5章 星載和地球站設(shè)備

1第5章星載和地球站設(shè)備2提要（一）HPA和LNA（二）星載轉(zhuǎn)發(fā)器（三）通信地球站設(shè)備（四）其它類型的地球站(略)1.衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成

（1）衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成通常衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由地球站、通信衛(wèi)星、跟蹤遙測(cè)及指令系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)4大部分組成的，如圖所示。（2）衛(wèi)星通信線路的組成5一、HPA和LNA高功率放大器（HPA）在常規(guī)的衛(wèi)星通信中，通信衛(wèi)星多采用靜止衛(wèi)星，距離地球站較遠(yuǎn)，電波傳輸損耗較大。接收設(shè)備受噪聲限制，其接收靈敏度不可能無(wú)限提高，而發(fā)射方上變頻器限于器件水平,輸出功率一般都比較低(大約-20~10dBm)，所以為了可靠接收，在上變頻器之后要設(shè)置一個(gè)增益達(dá)到50~80dB，輸出功率約幾瓦到幾千瓦量級(jí)的高功率放大器。行波管放大器（TWTA）速調(diào)管放大器（KPA）固態(tài)功率放大器（SSPA）6圖5-2不同頻段三種放大器的輸出功率7高功率放大器輸出功率帶寬功放管TWTA中50~800W水冷:10kw較寬C波段：500MHzKu和Ka波段:1000MHz真空管KPA大1KW以上較窄50-100MHz真空管SSPA小3-10W介于TWTA和KPA之間砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體管三種放大器的性能比較8室外單元包括GaAsFET固態(tài)功率放大器、低噪聲FET放大器、上/下變頻器及其檢測(cè)電路等，并組裝成一個(gè)部件設(shè)置在天線饋源附近；910低噪聲放大器（LNA）地球站接收到的衛(wèi)星信號(hào)非常微弱，因此必須在接收系統(tǒng)前端加入低噪聲放大器(LNA)。LNA的要求：高增益，要對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行高倍放大；低噪聲，放大器本身引入的噪聲也要足夠低，不能淹沒(méi)微弱的有用信號(hào)；寬頻帶、高穩(wěn)定性、高可靠性等。11低噪聲放大器（LNA）參量放大器致冷砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)放大器常溫砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)放大器(GaAsFET)12圖4-3三種LNA的內(nèi)部噪聲性能13LNA前端的接法LNA模塊只包含低噪聲放大器寬帶低噪聲下變頻模塊：LNA模塊除了低噪聲放大器以外，還包含寬帶下變頻器，帶寬約500MHz窄帶低噪聲下變頻模塊：LNA模塊除了低噪聲放大器以外，還包含窄帶下變頻器，帶寬約70MHz14轉(zhuǎn)發(fā)器由輸入設(shè)備、調(diào)制設(shè)備、本振設(shè)備、放大設(shè)備和發(fā)射設(shè)備組成，可以轉(zhuǎn)發(fā)兩地或多地的電報(bào)、電話、數(shù)據(jù)、傳真、電視、廣播等多類業(yè)務(wù)。轉(zhuǎn)發(fā)器接收來(lái)自地面的無(wú)線電波，經(jīng)過(guò)放大后，變換頻率再向地面發(fā)射，相當(dāng)于一個(gè)微波中繼站。二、星載轉(zhuǎn)發(fā)器15轉(zhuǎn)發(fā)器通常分為：透明轉(zhuǎn)發(fā)器（彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器）：收到地面發(fā)來(lái)的信號(hào)后，除進(jìn)行低噪聲放大、變頻、功率放大外，不作任何加工處理，只是單純地完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，適用于衛(wèi)星有效載荷和電源功率嚴(yán)重受限的情況處理轉(zhuǎn)發(fā)器：除進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)外，還具有信號(hào)處理功能。主要功能包擴(kuò)：解調(diào)再生，避免噪聲積累星上交換，對(duì)不同的衛(wèi)星天線波束之間進(jìn)行信號(hào)交換。16（一）彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器（透明轉(zhuǎn)發(fā)器）圖4-4

星載微波轉(zhuǎn)發(fā)器功能圖17圖4-5彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器方框圖18（二）轉(zhuǎn)發(fā)器的EIRP和G/T對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器的基本要求是：以最小的附加噪聲和失真，并以足夠的工作頻帶和輸出功率來(lái)為各地球站有效而可靠地轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)。EIRP和G/T是轉(zhuǎn)發(fā)器射頻部分最重要的兩個(gè)指標(biāo)，除了決定于HPA輸出功率和LNA的等效噪聲溫度以外，還與星載天線的增益相關(guān)。天線增益G與半功率波束寬度0.5的關(guān)系可以近似表示為G=27000/(0.5)2

對(duì)任意形狀服務(wù)區(qū)的覆蓋總希望天線對(duì)該區(qū)域提供大的增益，為此采用若干點(diǎn)波束的組合來(lái)對(duì)覆蓋區(qū)賦形。19（5.2.3）星載天線喇叭型天線拋物面反射型天線賦形天線相控陣列天線201、喇叭天線形狀似喇叭，如圓錐形、角錐形輻射效率高天線方向性強(qiáng)21圖4-6中心饋源和偏置饋源的拋物面反射天線2.拋物面反射型天線22圖4-7中心饋源的阻擋效應(yīng)233、賦形波束天線對(duì)任意形狀服務(wù)區(qū)的覆蓋總希望天線對(duì)該區(qū)域提供大的增益，為此采用若干點(diǎn)波束的組合來(lái)對(duì)覆蓋區(qū)賦形。可通過(guò)修改反射器形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)也可利用多個(gè)饋源從不同方向經(jīng)反射器反射產(chǎn)生多波束的組合244、相控陣列天線和多波束天線陣列天線相控陣列天線25三、通信地球站設(shè)備射頻部分中頻與基帶處理部分地面接口與陸地鏈路陸地鏈路的選擇地面接口2.地球站的組成

圖5-16地球站主要單元設(shè)備27天線卡塞格倫天線高功率放大器HPA波導(dǎo)耦合合路器濾波器型合路器低噪聲放大器LNA上、下變頻器地球站射頻部分28衛(wèi)星天線通常采用拋物面天線，利用無(wú)線電波信號(hào)跟光相似的特點(diǎn)來(lái)反射聚集電磁波，接收天線結(jié)構(gòu)主要由反射面、饋源和支架幾部分組成。按照天線反射面與饋源所處的相對(duì)位置不同，我們可以把拋物面天線分為正饋天線偏饋天線29①正饋天線中心聚集電波的衛(wèi)星天線被稱為正饋天線，其天線反射面呈正圓狀，饋源位于天線拋物面焦點(diǎn)處。正饋天線根據(jù)結(jié)構(gòu)不同還可再分為前饋式天線（即普通拋物面天線）后饋式天線（即卡塞格倫天線）。30前饋式拋物面天線

金屬拋物面

衛(wèi)星來(lái)波反射信號(hào)波

反射焦點(diǎn)（饋源）

31原理圖衛(wèi)星來(lái)波金屬拋物面

反射信號(hào)波反射焦點(diǎn)（饋源）

Ff太陽(yáng)聚光鏡32原理圖33前饋式天線優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低缺點(diǎn)：由于饋源正好位于天線拋物面焦點(diǎn)處，帶來(lái)諸多問(wèn)題，比如輻射器對(duì)反射電波有個(gè)遮擋作用；饋線較長(zhǎng)，損耗較大；LNB處于陽(yáng)光直射環(huán)境，溫度高等。一般大型站不用。3435目前大型地球站應(yīng)用最多的天線是卡塞格倫天線。它屬于后饋式天線，由饋源喇叭(一次輻射源)、主反射器(拋物面)和副反射器(雙曲面)組成。衛(wèi)星來(lái)波金屬拋物面

副反射面(雙曲面)虛焦點(diǎn)F1

實(shí)焦點(diǎn)F2饋源

36后饋式拋物面天線衛(wèi)星來(lái)波金屬拋物面

1次反射信號(hào)波

虛聚焦點(diǎn)（雙曲面）實(shí)聚焦點(diǎn)（饋源）

2次反射信號(hào)波37副反射面(旋轉(zhuǎn)雙曲面)饋源主反射面39卡塞格倫天線的優(yōu)點(diǎn)：饋源安放在拋物面頂點(diǎn)附近，因此可直接和主反射面背后的低噪聲放大器連接，降低了因饋電波導(dǎo)過(guò)長(zhǎng)而引起的損耗噪聲；主副反射面調(diào)整方便，效率高；拋物面焦距很短，降低了整個(gè)天線的長(zhǎng)度;降低了大地反射噪聲。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，制造、安裝、調(diào)試、維護(hù)的技術(shù)要求也都比較高，適合大中型地球站，不適于家庭和小范圍使用。副反射器及其支架的阻擋，造成效率下降4041②偏饋天線偏饋天線特別適合接收KU波段信號(hào)，一般來(lái)說(shuō)口徑較小，通常在一米以下，反射面呈現(xiàn)橢圓。由于饋源安裝的位置不在天線反射面的中心線上，所以被稱為偏饋天線。42普通偏饋天線的側(cè)視圖衛(wèi)星電波

指向衛(wèi)星

水平

θLNB(高頻頭)高頻頭支桿

43偏饋天線44伺服跟蹤分系統(tǒng)雖然通信衛(wèi)星大多為靜止衛(wèi)星，但由于衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行軌道和理想軌道總存在一定的偏差，因此，靜止衛(wèi)星并非完全“靜止”。根據(jù)天線理論，天線主瓣的波束寬度反比于天線的口徑，在天線口徑較大時(shí)，天線主瓣波束會(huì)很尖銳，方向性很強(qiáng)，當(dāng)天線主波束指向衛(wèi)星的方向稍有偏差，天線增益就會(huì)有明顯變化，天線口徑越大，工作頻率越高，這個(gè)問(wèn)題就越嚴(yán)重。45以上因素必然會(huì)影響天線精確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，所以口徑較大的地球站天線都必須有一套伺服跟蹤系統(tǒng)，以確保天線主波束準(zhǔn)確指向衛(wèi)星。需配置伺服跟蹤分系統(tǒng)的地球站：大型陸地固定衛(wèi)星通信地球站（小型固定站一般不設(shè)伺服跟蹤設(shè)備）陸地移動(dòng)衛(wèi)星通信地球站（非手持機(jī)）船載移動(dòng)衛(wèi)星通信地球站機(jī)載移動(dòng)衛(wèi)星通信地球站46自動(dòng)跟蹤天線

車載式自動(dòng)跟蹤天線

手提式自動(dòng)跟蹤天線47地球站天線跟蹤系統(tǒng)一般有3種跟蹤方式：自動(dòng)跟蹤：接收衛(wèi)星發(fā)射的信標(biāo)信號(hào)，使天線自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)信標(biāo)信號(hào)來(lái)的方向；程序跟蹤：預(yù)測(cè)衛(wèi)星軌道信息驅(qū)動(dòng)天線；手動(dòng)跟蹤：手工移動(dòng)天線。大中型固定地球站一般采用自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)為主，手動(dòng)跟蹤和程序跟蹤為輔的方式。根據(jù)地球站接收到的衛(wèi)星所發(fā)的信標(biāo)信號(hào)，檢測(cè)出誤差信號(hào)，驅(qū)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，使天線自動(dòng)地對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星。484950514、變頻器上變頻器，將中頻信號(hào)變換為射頻信號(hào)。下變頻器，將射頻信號(hào)變換為中頻信號(hào)。射頻頻率：C波段（上行6GHz/下行4GHz）、Ku波段（上行14GHz/下行12GHz）中頻頻率：由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬而定。若帶寬較窄(如36MHz)，中頻選70MHz若帶寬較寬(如72MHz)，中頻選140MHz525.3.2中頻與基帶處理部分

具有調(diào)制/解調(diào)、編/解碼等功能

調(diào)制/解調(diào)是在IF載波上進(jìn)行具有復(fù)用的功能

535.3.3地面接口與陸地鏈路

陸地鏈路的設(shè)置和選擇地面接口

54圖5-19地球站與交換局、用戶設(shè)備間的陸地鏈路陸地鏈路的設(shè)置和選擇55圖4-19微波和光纖兩種陸地鏈路所需投資的比較56地面接口圖4-20三種地面接口的示意圖57（四）其他類型的地球站TT&C地球站TV上行站和廣播中心TV單收站58TT&C地球站59（1）TT&C地球站射頻基帶處理部分指令子系統(tǒng)測(cè)距子系統(tǒng)遙測(cè)子系統(tǒng)地面接口單元：用于與SCC接口60（2）SCC衛(wèi)星運(yùn)行的神經(jīng)中樞軌道控制監(jiān)視衛(wèi)星的上行和下行鏈路的通信傳輸通道61TV單收站DTH系統(tǒng)的家用單收站單個(gè)接收機(jī)地面有線TV系統(tǒng)的“電纜前端”TVRO多個(gè)接收機(jī)62圖4-23

TVRO天線直徑與衛(wèi)星EIRP的關(guān)系63圖