星載和地球站設(shè)備課件

第5章

星載和地球站設(shè)備15.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成5.2星載設(shè)備5.3通信地球站設(shè)備第5章星載和地球站設(shè)備25.1衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成圖5-1星載和地球站設(shè)備35.2.1星載天線喇叭天線（全球波束天線）拋物面天線（點(diǎn)波束天線）賦型天線多波束天線56中心饋源和偏置饋源的拋物面反射天線79多波束衛(wèi)星天線的典型方框圖10衛(wèi)星天線系統(tǒng)示意圖11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)來的信號后，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)行信號轉(zhuǎn)發(fā)外，還具有信號處理功能。主要功能包擴(kuò)：解調(diào)再生，避免噪聲積累星上交換，對不同的衛(wèi)星天線波束之間進(jìn)行信號交換。13透明轉(zhuǎn)發(fā)器14處理轉(zhuǎn)發(fā)器主要功能：解調(diào)再生星上交換15SS-TDMA轉(zhuǎn)發(fā)器的組成星上交換17INTELSATVI衛(wèi)星的覆蓋圖和采用微波交換矩陣的SS-TDMA星上交換示意圖SWZ18轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)量越多，衛(wèi)星的通信能力就越大。小容量通信衛(wèi)星：星載轉(zhuǎn)發(fā)器少于12個，功率小于1000瓦的通信衛(wèi)星中容量通信衛(wèi)星：有24個轉(zhuǎn)發(fā)器，功率在1000~3000瓦之間大容量通信衛(wèi)星：有48個轉(zhuǎn)發(fā)器，功率在3000~7000瓦之間超大容量通信衛(wèi)星：轉(zhuǎn)發(fā)器多于48個，功率在7000瓦以上19215.3通信地球站設(shè)備5.3.1地球站的種類地球站是衛(wèi)星通信的重要組成部分，其作用是向衛(wèi)星發(fā)送和接收來自衛(wèi)星的信號。目前國際上通常根據(jù)地球站天線口徑尺寸及G/T值大小將地球站分為A、B、C、D、E、F、G、Z等各種類型。A、B、C三種是大型站，稱為標(biāo)準(zhǔn)站，用于國際通信，適合各種業(yè)務(wù)類型。22D1，D2主要是用于小型站。E和F分別工作在Ku波段和C波段，又分為E1、E2、E3和F1、F2、F3等類型。E1，F(xiàn)1，稱為小型站，它們的業(yè)務(wù)容量較小，一般用于商用系統(tǒng)（IBS）。E2，E3和F2，F(xiàn)3又稱為中型站，是為大城市和大企業(yè)之間提供通信業(yè)務(wù)的。G是國際租賃專線，一般用于VSAT或衛(wèi)星電視。Z是國內(nèi)電路，租賃專線。23地球站主要單元設(shè)備25射頻部分天線高功率放大器低噪聲放大器變頻器26前饋式拋物面天線

金屬拋物面

衛(wèi)星來波反射信號波

反射焦點(diǎn)（饋源）

2930原理圖衛(wèi)星來波金屬拋物面

反射信號波反射焦點(diǎn)（饋源）

Ff太陽聚光鏡31前饋式天線優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、成本較低缺點(diǎn)：由于饋源正好位于天線拋物面焦點(diǎn)處，帶來諸多問題，比如輻射器對反射電波有個遮擋作用；饋線較長，損耗較大；LNB處于陽光直射環(huán)境，溫度高等。一般大型站不用。3233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

34后饋式拋物面天線衛(wèi)星來波金屬拋物面

1次反射信號波

虛聚焦點(diǎn)（雙曲面）實(shí)聚焦點(diǎn)（饋源）

2次反射信號波3536副反射面(旋轉(zhuǎn)雙曲面)饋源主反射面37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)過長而引起的損耗噪聲；主副反射面調(diào)整方便，效率高；拋物面焦距很短，降低了整個天線的長度;降低了大地反射噪聲。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，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3839②偏饋天線偏饋天線特別適合接收KU波段信號，一般來說口徑較小，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。因?yàn)槠漯佋床辉谔炀€反射面與衛(wèi)星之間，得以避免了饋源對衛(wèi)星電波信號的遮擋，所以這種天線的接收效率比較高。由于偏饋天線具有易于安裝、節(jié)省空間、方向圖好，效率較高等優(yōu)點(diǎn)，目前在家庭和小用戶中廣泛采用。40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4142偏饋天線43二次反射式天線（多曲面天線）可將衛(wèi)星信號反射到多個饋源內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)一面天線多顆衛(wèi)星的同時接收。拋物面反射面多個饋源44球形反射面天線

使用球形反射面天線的目的就是可以通過一副天線來進(jìn)行多星接收。

安裝多個饋源，并根據(jù)所接收衛(wèi)星的方向適當(dāng)?shù)卣{(diào)整各饋源的位置。2745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，天線主瓣波束會很尖銳，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，天線增益就會有明顯變化，天線口徑越大，工作頻率越高，這個問題就越嚴(yán)重。46以上因素必然會影響天線精確對準(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）陸地移動衛(wèi)星通信地球站（非手持機(jī)）船載移動衛(wèi)星通信地球站機(jī)載移動衛(wèi)星通信地球站47自動跟蹤天線車載式自動跟蹤天線手提式自動跟蹤天線48地球站天線跟蹤系統(tǒng)一般有3種跟蹤方式：自動跟蹤：接收衛(wèi)星發(fā)射的信標(biāo)信號，使天線自動對準(zhǔn)信標(biāo)信號來的方向；程序跟蹤：預(yù)測衛(wèi)星軌道信息驅(qū)動天線；手動跟蹤：手工移動天線。大中型固定地球站一般采用自動跟蹤系統(tǒng)為主，手動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，檢測出誤差信號，驅(qū)動跟蹤系統(tǒng)，使天線自動地對準(zhǔn)衛(wèi)星。49505152532、高功率放大器(HPA)衛(wèi)星通信由于收發(fā)雙方距離較遠(yuǎn)，傳輸損耗較大，為了使輸出功率滿足傳輸損耗的要求，在上變頻器之后要設(shè)置一個增益達(dá)到50~80dB，輸出功率約幾瓦到幾千瓦量級的高功率放大器。為減小傳輸損耗，HPA需放在離天線比較近的射頻機(jī)房內(nèi)，傳輸線采用波導(dǎo)。54高功率放大器輸出功率帶寬功放管行波管放大器TWTA中50~800W水冷:10kw較寬C波段：500MHzKu和Ka波段:1000MHz真空管速調(diào)管放大器KPA大1KW以上較窄50-100MHz真空管固態(tài)功率放大器SSPA小3-10W介于TWTA和KPA之間砷化鎵場效應(yīng)半導(dǎo)體管三種放大器的性能比較55速調(diào)管功放的應(yīng)用已逐漸被行波管功放所取代，目前主要使用行波管放大器TWTA和固態(tài)功率放大器SSPA。TWTA：大功率，高頻率；SSPA：線性好、壽命長、省電、維護(hù)方便。近些年，隨著砷化鎵固態(tài)技術(shù)和功率合成技術(shù)的發(fā)展，場效應(yīng)單管功率放大器功率越來越高，在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了很多采用多級功率合成的大功率固態(tài)放大器產(chǎn)品。在很多場合功率較低的SSPA已經(jīng)逐漸代替大功率的真空管功率放大器。56SSPA典型的維護(hù)措施檢查功放輸出功率、反射功率、各種電壓、溫度等參數(shù)。定期對功放的風(fēng)道進(jìn)行檢查，清洗濾網(wǎng)，保持進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口清潔，檢查功放的散熱風(fēng)機(jī)風(fēng)力是否強(qiáng)勁，大約每五年更換一次風(fēng)機(jī)。年檢：將功放關(guān)機(jī)，進(jìn)行線纜檢查、內(nèi)部除塵、功能和技術(shù)指標(biāo)測試。57室外固態(tài)小功率放大器KU波段(8W、16W、20W)5859603、低噪聲放大器(LNA)地球站接收到的衛(wèi)星信號非常微弱，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，要對微弱信號進(jìn)行高倍放大；低噪聲，放大器本身引入的噪聲也要足夠低，不能淹沒微弱的有用信號；寬頻帶、高穩(wěn)定性、高可靠性等。61衛(wèi)星地球站目前所用的低噪聲放大器為砷化鎵場效應(yīng)管級聯(lián)放大器。通常標(biāo)準(zhǔn)地球站要求前端放大器增益為50~60dB，單級放大器無論從增益還是輸出功率而言都不能滿足系統(tǒng)使用要求，所以一般是由多級微波場效應(yīng)管放大器級聯(lián)組成。衛(wèi)星通信中地球站為了保證通信信號的連續(xù)性，所安裝的低噪聲放大器通常為1：N熱備份形式，即低噪聲放大器分系統(tǒng)由兩個或多個低噪聲放大器，倒換開關(guān)和控制單元組成。626364KU波段衛(wèi)星天線6566LNA的安裝：為免微弱的衛(wèi)星信號因傳輸路徑過長而淹沒在噪聲中，低噪聲放大器一般都安裝在天線后的高頻箱內(nèi)。LNA和室內(nèi)接收機(jī)之間的連接：LNA不包括下變頻器，則LNA和接收機(jī)內(nèi)一般采用波導(dǎo)連接。LNA包括下變頻器，則LNA和接收機(jī)之間可用同軸電纜連接。67天線系統(tǒng)與機(jī)房的連接684、變頻器上變頻器，將中頻信號變換為射頻信號。下變頻器，將射頻信號變換為中頻信號。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140MHz69可分為一次變頻：從中頻(如70MHz)直接變到微波射頻(如6GHz)。設(shè)備簡單，但不利于寬帶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，適合小容量的小型地球站二次變頻：從中頻(如70MHz)先變到較高的中頻(如1000MHz)，然后再由此較高的中頻變到微波射頻(如6GHz)。電路較復(fù)雜，但調(diào)整方便，易于實(shí)現(xiàn)寬帶要求，廣泛用于大容量的大中型地球站中。70輸入信號頻率：3625~4200MHz混頻器Ⅰ：4665~5240MHz輸出信號：1040MHz混頻器Ⅱ：1110MHz例：C波段二次下變頻器(ComtechDT-4503)71帶寬是上變頻器和下變頻器的性能指標(biāo)之一。變頻器帶寬有射頻和中頻帶寬兩種含義。射頻帶寬是指變頻器覆蓋射頻帶寬的能力，即通過改變上（下）變頻器的本振頻率以實(shí)現(xiàn)發(fā)射（接收）整個射頻頻帶內(nèi)的任一載波。C波段頻率范圍較窄，大約500MHz左右，因此變頻器射頻帶寬一般就是C波段帶寬。Ku波段頻率范圍較寬，大約2GHz左右，若只用一種本振頻率無法覆蓋如此廣的范圍，通常采用不同的本振頻率。72中頻帶寬決定于變頻器覆蓋各載波信號帶寬的能力，也就是變頻器在中頻側(cè)的信號帶寬。36MHz帶寬的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器，變頻器中頻帶寬選為36MHz或40MHz，中頻頻率70MHz，頻率范圍7020MHz。轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬為72~77MHz是，工作帶寬選為80MHz，中頻頻率140MHz，頻率范圍一般14040MHz。73中頻和基帶處理部分在VSAT中，經(jīng)常以室內(nèi)單元的形式合成一體。74室內(nèi)單元75發(fā)送鏈路，通過用戶數(shù)據(jù)接口模塊接收用戶數(shù)據(jù)（基帶信號）；進(jìn)入IFU（內(nèi)部成幀單元）的發(fā)送部分組幀；定幀后的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行信道編碼，完成擾碼、差分編碼、FEC（前向糾錯）編碼后，進(jìn)入發(fā)送濾波器；濾波后的信號進(jìn)入調(diào)制器，經(jīng)PSK調(diào)制到IF載波上，經(jīng)IF處理單元處理后輸出。接收鏈路，IF輸入信號首先進(jìn)入IF處理器，完成放大、AGC和濾波；然后進(jìn)入解調(diào)器，經(jīng)PSK解調(diào)，輸出基帶數(shù)據(jù)信號；之后進(jìn)行信道譯碼，處理后的數(shù)據(jù)通過IFU去幀，最后經(jīng)用戶數(shù)據(jù)接口模塊送到用戶終端。76監(jiān)控分系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備的功能就是監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備的工作狀態(tài)（如HPA、LNA等），發(fā)生故障時能告警及故障處理。小型地球站一般沒有專門的監(jiān)控設(shè)備。監(jiān)控分系統(tǒng)一般由監(jiān)視設(shè)備、控制設(shè)備和測試設(shè)備等組成。77電源分系統(tǒng)地球站的大功率發(fā)射機(jī)所需電源必須是定電壓、