CN101669302B - 通信卫星中下行链路信道的路由 - Google Patents

Abstract

为了选择性地将下行链路频率信道路由至通信卫星的下行链路波束，结合输出复用器(OMUX)的分组信道滤波器特性开发了正常带宽多端口放大器(MPA)的固有路由功能。在这种布置中，OMUX中固有的防护频带缓解了MPA中固有的较差端口间隔离，使得组合的两个低性能元件可以用来在系统级实现改进的性能。

Description

通信卫星中下行链路信道的路由

技术领域

本发明涉及通信卫星中下行链路信道的路由，具体地，包括选择性地将下行链路信道定向到下行链路波束的装置。

背景技术

传统通信卫星接收并放大来自基于地面的发射机的许多信号，以及将放大后的信号送往特定地理位置中的接收机。该功能一般被称作透明无线电。

频率中继器。透明中继器不对信号进行解调，而仅对信号进行放大和重定向。在卫星上承载的那些中继器用于商业应用，例如TV广播和双向点到点数据链接。在一个频带(上行链路)内将信号发送至卫星，并在另一频带(下行链路)内将该信号重定向至用户终端。

典型的上行链路和下行链路可以在2GHz频带内包括总数可达到100个的若干信道。对上行链路信道进行频率放大、改变以适合在下行链路频带内，并将所述上行链路信道经由高增益天线定向到特定地理位置。在图1中示意性示出了这种处理的简化示例。下行链路频带1被示为仅包括32个信道，为了清楚起见扩大了防护频带间隔。在该示例中示出的每个信道实际上能够容纳若干窄带信道。下行链路波束2、3中的每一个被示为从下行链路频带选择8个离散的信道。

现代通信卫星需要支持可以随时间改变的多种商业模型。卫星运营商需要依据信道至波束连接性来灵活地操作其昂贵的卫星基础设施，这意味着需要复杂的RF开关和能够容易地重新配置的滤波器网络。

典型地，已使用机电开关实现了这些网络，但是在卫星中继器的低功率信号部分中，现在可以使用宽带固态开关矩阵或数字信号处理技术来实现这些网络。这样的输入网络能够确定上行链路和下行链路信道之间的对应(频率灵活性)，但是然后必须将放大后的信号封装到可以在特定天线波束内承载的组中(信道至波束的灵活性)。

在传统的中继器中，如图2所示，低功率输入滤波器确保每个放大器典型地承载仅一个信道。然后将所有信道放大至类似的功率电平，并且可以通过将放大器限制到窄带频率来方便地对放大器功率输出进行优化。在图2中示出了具有一定程度信道至波束灵活性的典型中继器方案的操作原则。为了清楚起见，这仅限于从任何5个放大器中选择任何三个输出。在该方案中，包含低功率输入滤波器在内的输入信号网络或处理器21将所选下行链路信道中的每一个定向到放大器22。高功率微波选择器开关23然后经由功率组合器24将所选信道定向到与期望地理覆盖区相对应的天线馈电25。第二波束26需要类似的开关和滤波器布置，并且针对每个单独的波束需要重复上述布置。组合器通过并入与可选择的信道相对应的滤波器来实现高功率转换效率。根据该体系结构可以清楚看出，对于需要利用信道和覆盖区的许多可能组合来进行操作的卫星，需要大量高功率选择器开关和输出滤波器。这增加了卫星的质量和成本，但是优点是这样的方案可以不需要附加开关来容许设备故障。

如果使用宽带多端口放大器(WMPA)，则可以避免将来自若干不同放大器的输出进行组合的复杂性。WMPA包括经由微波混合来连接的宽带放大器集合。这种布置确保存在于特定输入端口处的信号同等地通过所有放大器并且组合的输出被路由至相应的输出端口。在图3中示出了两个波束情况下的操作原则。输入信号网络或处理器31将多个(n个)所选下行链路信道定向到WMPA 32。WMPA包括能够在整个下行链路频带(典型地，2GHz宽)上进行操作的多个(N个)放大器，其中数字N不需要等于n。该方案不需要高功率开关网络，这是由于特定覆盖或波束所需的信道在低功率输入部分中被组合，并且交叉映射到相应的放大器输出端口。2GHz带通滤波器33确保任何“频带外”产物不会到达馈电34。有利地，这种布置还在放大器的数目众多时为独立放大器故障赋予了高级别的容限。MPA的主要缺点在于，当在较宽的带宽上操作时，很难确保足够的端口间隔离(串扰问题)，并很难实现较高的总体放大器效率(RF输出对能量输入)。

避免将来自若干不同放大器的输出进行组合的复杂性的备选方法是，在自由空间执行功率组合。这可以通过使用多元件相控阵列或有源天线来实现。在该布置中，每个天线元件由专用的低功率宽带放大器来驱动，并且所有放大器承载所有下行链路信号。在图4中示出了操作的原则。

输入信号处理器41确定提供给每个放大器42及其专用天线馈电43的信号的相对振幅和相位。确定振幅和相位关系，使得所选下行链路信道出现在适当的天线波束44中。

有利地，该布置还对独立放大器故障赋予高级别的容限，这是由于典型地天线元件的数目(以及从而放大器的数目)众多。不幸地，该解决方案简单地将复杂性问题转移至信号处理器，这对于某些应用来说使用当前技术来进行构建并不实际。

发明内容

本发明结合输出复用器(OMUX)的分组信道滤波器特性开发了多端口放大器(MPA)的固有路由功能。在该布置中，OMUX中固有的防护频带缓解了MPA中固有的较差端口间隔离。换言之，组合的两个低性能元件可以用于在系统级实现改进的性能。

MPA是用于卫星通信的公知功率放大器器件，可以以1GHZ之上的微波频率进行操作，并且该微波频率覆盖具有1-2GHZ范围内频率的E、L频带、具有12-40GHz区域内频率的Ku和Ka频带，等等。MPA包括并行的N个类似放大器单元(TWT或固态)，每个放大器单元具有功率P，使得由每个放大器对每个输入信号进行放大，以利用因子N将每个输入信号的功率增大为P×N。提供了N个输入端口和N个输出端口，以便将一个输入端口上的输入信号路由至相应的输出端口。输入端口通过低功率输入网络(INET)连接至放大器单元，可以以适合环境的任何方便的传输线技术(例如，微波传输带、带状线、同轴线缆或波导)来实现该低功率输入网络(INET)，并且输出端口通过典型地使用低损耗传输线技术实现的高功率输出网络(ONET)连接至放大器单元。ONET在数学上是INET的倒数，以便将提供给第n个输入的信号定向到第n个输出。每个网络包括划分波导器件的信号阵列。混合器件通常用于信号划分，这是由于混合器件具有方便的增益和相移特性。混合电路是包括两个输入和两个输出在内的、具有选择性90°相移的4端口信号划分器件；该相位差可以用来提高网络的隔离特性。然而，可以使用可具有180°相位差的其他混合电路和其他信号划分器件。

出于本说明书的目的，将多端口放大器限定为包括：多个微波功率放大器单元、多个输入端口、和多个输出端口，输入端口和输出端口通过信号划分网络连接至所述放大器单元，以便任何输入端口处的输入信号在正常或典型情况下同等地被所有放大器单元对放大，然后在输出端口处被重新组合成输出信号：这样的多端口放大器将称为“如这里所限定的多端口放大器”。

输出复用器(OMUX)是用于将多个高功率信号复用至公共输出端口的公知器件。输出复用器(OMUX)一般地具有通过低损耗传输线路径(例如，空腔波导)耦合至输出路径和输出端口的多个输入端口，每个输入路径包括预定特性的带通滤波器，其中在相邻通频带之间具有防护频带。OMUX例如由Tesat-Spacecom GmbH&Co.KG制造，并在以下网址中进行了描述：

http://www.electronicnote.com/site/PDF/Tesat％20Passive％20Components-2004.pdf

出于本说明书的目的，将输出复用器限定为包括经由传输线耦合至输出端口的多个输入端口，每个输入端口经由相应的带通滤波器耦合至输出端口，每个所述带通滤波器具有预定的通过带宽，其中在通频带与相邻通频带之间具有防护频带；这样的输出复用器将称为“如这里所限定的输出复用器”。

在第一方面，本发明提供了选择性地将下行链路信道定向到通信卫星的下行链路波束的设备，包括：

如这里限定的至少一个多端口放大器，

如这里限定的至少一个输出复用器，

并且，所述一个多端口放大器的输出端口耦合至所述一个输出复用器的输入端口，其中，将所述防护频带的的大小定为在频率上具有预定的宽度，以便至少部分地补偿所述一个多端口放大器的串扰特性。

在另一方面，本发明提供了一种选择性地将下行链路信道定向到通信卫星的下行链路波束的方法，包括：

提供至少一个多端口放大器，每个多端口放大器是如这里所限定的多端口放大器，

提供至少一个输出复用器，每个输出复用器是如这里所限定的输出复用器，

其中，下行链路信道包括在下行链路信号带宽上隔开的多个频率信道，以及，选择性地将频率信道定向到所述一个多端口放大器的输入端口，以及选择性地将所述一个输出复用器的输入端口耦合至所述一个多端口放大器的输出端口，其中将所述防护频带的大小定为在频率上预定的宽度，以便至少部分地补偿所述一个多端口放大器的串扰特性。

根据本发明，来自多端口放大器(MPA)的输出端口的每个输出信号被选择为具有在输出复用器(OMUX)的带通滤波器的带宽内的频率带宽。OMUX的防护频带提高了MPA输出信号的隔离。由于可以将OMUX的防护频带和通频带预定为具有任何期望值，所以可以将对MPA输出信号的串扰的隔离和减小提高至任何期望的等级。然而，在实际中，可以期望MPA实现在输出之间大约20dB的隔离，而不采用特殊补偿技术，优选的隔离可以是大约30dB。因此，根据本发明，具体地在选择防护频带大于通频带的50％的情况下，OMUX仅需要实现另外的10dB隔离，这是以相对低的插入损耗容易实现的。OMUX在原则上可以提供比上述更高级别的隔离，但是在需要较低级别的隔离的情况下，允许设计参数的灵活性，以允许对诸如损耗的其他参数进行优化。

增大OMUX的防护带的宽度带来了附带的缺点：频率上相邻的MPA输出信号之间的带宽增大了。由于通信卫星的正常配置是，针对下行链路的输出信道具有相同带宽，并在总信号带宽上规则地隔开(例如，在图1中，针对Ka频带，在2GHz的总带宽上存在隔开的100个信道)，所以一些输出信道可以落在防护频带内，并因此不能使用。

因此在优选布置中，至少两个输出复用器(OMUX)使它们的通频带交织，其中防护频带至少是通频带的宽度，使得不存在通频带的交叠。每个OMUX实际上可以是宽带的，以便覆盖输入信号的整个频谱，所述频谱对于诸如Ka之类的更高频带来说可达2GHz或更大。以这样的方式，来自MPA的、在频率上相邻的频率信道可以被路由至不同的OMUX，以进一步保持频率信道的可用性，同时保持隔离特性的提高。可以为所需数目的OMUX提供交织的通频带：OMUX越多，每个OMUX内的防护频带越宽。

然后可以引出另一问题，在通信卫星的公共配置中，每个OMUX向单独的馈电喇叭提供馈送信号，以至少在针对AFR天线的每个馈送配置的单一波束中产生相应的点波束。这可以意味着，一些频率信道不能路由至特定的地理区域。因此在另外的开发中，对来自第一和第二馈电喇叭的、由第一和第二OMUX馈送的输出进行定向，以便形成可以具有所有可用的下行链路频率信道的、组合的点波束。

所述一个MPA的带宽将如所需的一样宽，以便容纳输入下行链路信道的预期带宽。可以提供第一和第二多端口放大器(MPA)，第一MPA覆盖输出信号频谱的低半部(即，1GHz)，第二MPA覆盖该频谱的高半部。可以提供更多的MPA，每个MPA具有输入频谱的相应更小部分，通常信号频谱越小，MPA的特性越好，特别是在隔离特性方面。根据应用，MPA的每个输出信号可以包括多个频率信道：例如，高带宽视频信号可以占用许多相邻的频带。MPA输出信号的带宽越宽，相应的OMUX输入的通频带的带宽越宽。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1至4示出了选择性地将下行链路信道定向到下行链路波束的现有布置；

图5是本发明优选实施例的结构的示意框图；以及

图6是示出了图5的MPA和OMUX之间的下行链路信道的分配的频带平面图。

具体实施方式

本发明结合OMUX的分组信道滤波器特性开发了MPA的固有路由功能。在该布置中，OMUX中固有的防护频带缓解了MPA中固有的较差端口间隔离。换言之，组合的两个低性能元件可以用来在系统级实现改进的性能。

不能使高功率输出复用器(OMUX)滤波器在下行链路频带上邻接，实际上有必要在单独的滤波器之间允许显著的防护频带。在图6中示出了针对该具体示例的放大器和滤波器带宽之间的关系，其中两个交织的OMUX(概念上，“奇”和“偶”)覆盖整个下行链路频带。

在图5中示出了本发明的实施例。输入信号网络或处理器51将所选下行链路信道中的每一个定向到两个4端口MPA 52、53(每个如这里所描述和限定的)的输入端口中之一。然后将输出路由至两个交织的OMUX 54、55(每个如这里所描述和限定的)。每个OMUX的输出端口耦合至多波束天线例如AFR)的相应单独天线波束馈电56、57。为了清楚起见，仅示出了8个信道放大路径，并且省略了用于补偿设备故障的附加切换。

针对图6的频带平面图中正常的2GHz下行链路频带，示意性示出了在两个4端口MPA和OMUX的该示例中实现的路由灵活性。如平面图61所示，MPA 52覆盖下行链路频带的低半部63，MPA 53覆盖下行链路频带的高半部64。因此，MPA 52对频带低半部(本示例中为16)中的信道进行放大，MPA 53对频带高半部中的信道进行放大。如平面图62所示，每个OMUX54、55包括4个250MHz宽的滤波器，并具有250MHz宽的防护频带，使得每个OMUX在整个2GHz频带上延伸。当OMUX如平面图62所示交织时，OMUX覆盖整个下行链路频带。选择性地将MPA的输出端口处的信号定向到OMUX的输入端口，使得OMUX的每个通频带接受在频率上相对应的MPA输出，在本示例中，该MPA输出包括在频率上相邻的4个下行链路信道。

MPA和OMUX之间的交叉捆绑(cross-strapping)连接允许将跨过下行链路频带的信道路由至任一波束，而无需输出开关。有利地，每个MPA输出端口上的信号在频率上有很大不同，使得相应的OMUX滤波器可以拒绝不期望的“串扰”分量。

应清楚，对于利用本发明可实现的信道至波束路由的灵活性存在限制，主要地，由于不能使OMUX滤波器在频带上邻接，并从而提供给馈电56、57的信号将是“奇数的”或“偶数的”。例如通过使用双馈送天线能够将馈电56、57组合到单一波束中。为了实现高效率，可以有必要进一步限制MPA的带宽，可以需要一些高功率选择器开关来容许正常的寿命内设备故障。此外，当OMUX滤波器输入端口的数目超过MPA输出端口的数目时，将需要高功率选择性开关来保持全信道平面频率灵活性。然而，任何这种开关布置的复杂性将远小于具有图2的一般体系结构的等同传统布置的复杂性。

此外，如果采用具有交叠频带的若干MPA，则在MPA故障的情况下可以保持灵活性。有利地，随着特定有效载荷的大小和灵活性的程度的增加，本发明使得对附加选择器开关的需要最小化。在极限情况下，本发明实现了接近图3中描述的理想MPA解决方案的灵活性程度。对于采用一般可用的卫星有效载荷构建块的其他方案来说，情况并非如此。

本发明的特征如下：

通过宽带宽OMUX滤波器来耦合MPA，以使得可以以较小选择性约束或没有选择性约束的情况下从更大信道集合当中选择由放大后的下行链路信道组成的特定集合。

将所选的下行链路信道独立路由至通信卫星有效载荷内的特定天线波束。

M-端口MPA与M-端口OMUX滤波器相组合，其中，典型地M＝4或8，但不一定如此。

M-端口MPA连接至N-端口OMUX滤波器，其中，M＜N，并且在MPA输出和OMUX输入之间包括高功率选择性开关网络，以将M个输出路由至N个输入中的M个输入，以增强灵活性。

M-端口MPA连接至N-端口OMUX滤波器，其中，M＞N，(M-N)个MPA输出未得到使用，并且不承载有用信号(相应的MPA输入未得到使用)。

通过非邻接且非交叠的“奇”和“偶”OMUX滤波器来支持邻接的下行链路频带。

利用两个每波束单一馈送的天线系统将来自OMUX滤波器的奇和偶输出组合成单一波束。

针对任何给定的下行链路覆盖，利用单一的双馈送天线系统将来自OMUX滤波器的奇和偶输出组合成单一波束。

M个非交叠频率范围(非交叠OMUX滤波器通频带)内任何给定MPA的M个输出的操作意味着经由每个天线端口(馈电)来降低不期望的发射，其中，天线端口到天线端口的隔离是MPA端口到端口隔离与OMUX滤波器频带外拒绝的组合。

在M个非交叠频率范围(非交叠OMUX滤波器通频带)内任何给定MPA的M个输出的操作意味着降低MPA端口到端口隔离的需要，并从而易于MPA实现。

每个MPA的操作仅在宽邻接下行链路频率范围(例如，2GHz)的一部分(例如，1GHz)上进行，从而降低了MPA带宽需要并易于MPA实现。

Claims (17)

1.一种选择性地将下行链路信道定向到通信卫星的下行链路波束的设备，包括：

至少一个多端口放大器，每个多端口放大器包括多个微波功率放大器单元、多个输入端口、和多个输出端口，所述输入端口和所述输出端口通过信号划分网络连接至所述放大器单元，使得任何输入端口处的输入信号被所有放大器单元放大，然后在输出端口处被重新组合成输出信号，

至少一个输出复用器，每个输出复用器包括经由传输线耦合至输出端口的多个输入端口，每个输入端口经由相应的带通滤波器耦合至该输出端口，每个所述带通滤波器具有预定的通过带宽，其中在输出复用器的相邻通频带之间具有防护频带，

并且，所述一个输出复用器的输入端口选择性地耦合至所述一个多端口放大器的输出端口，其中，将所述防护频带的大小定为频率上的预定宽度，以便至少部分地补偿所述一个多端口放大器的串扰特性。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个输出复用器包括至少第一和第二输出复用器，其中，每个输出复用器具有多个输入，每个输入具有相应的信号带宽，在相邻信号带宽之间具有预定的防护频带，并且，所述第一和第二输出复用器的信号带宽是交织的，使得所述第一输出复用器的输入中至少一些输入各自完全位于所述第二输出复用器的防护频带内，并且所述第二输出复用器的输入中至少一些输入的信号带宽各自完全位于所述第一输出复用器的防护频带内；

以及，所述一个多端口放大器的输出选择性地连接至所述第一和第二输出复用器的输入，使得由所述防护频带提供的隔离特性至少部分地补偿所述一个多端口放大器的输出端口的串扰特性。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述一个多端口放大器的第一输出连接至所述第一输出复用器，并且所述一个多端口放大器的、在频率上与所述第一输出相邻的第二输出连接至所述第二输出复用器。

4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述下行链路信道具有频谱带宽，所述至少一个输出复用器包括至少第一和第二输出复用器，其中每个输出复用器具有覆盖所述频谱带宽的带宽，并且所述至少一个多端口放大器包括至少第一和第二多端口放大器，所述第一多端口放大器具有覆盖所述频谱带宽的第一部分的带宽，所述第二多端口放大器具有覆盖所述频谱带宽的第二部分的带宽。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，每个多端口放大器具有相同数目M的输入端口和输出端口，每个输出复用器具有所述相同数目M的输入端口。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，其中M＝4或8。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，每个多端口放大器具有相同数目M的输入端口和输出端口，每个输出复用器具有数目N的输入端口，其中M＜N，并且，所述设备在每个多端口放大器的输出与相应的输出复用器的输入之间还包括高功率选择性开关网络，以将M个输出路由至N个输入当中的M个输入，以便增强灵活性。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，每个多端口放大器具有相同数目M的输入端口和输出端口，每个输出复用器具有数目N的输入端口，其中M＞N，其中每个多端口放大器的(M-N)个输出未得到使用并且不承载有用信号。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，每个输出复用器连接至多元件天线的相应天线元件，以形成相应的单一点波束。

10.根据权利要求2、3或4所述的设备，其中，所述第一输出复用器连接至多元件天线的第一天线元件，所述第二输出复用器连接至多元件天线的第二天线元件，所述第一天线元件和第二天线元件被布置为提供单一点波束。

11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述防护频带的宽度是相邻通频带的宽度的至少50％。

12.一种选择性地将下行链路信道定向到通信卫星的下行链路波束的方法，包括：

提供至少一个多端口放大器，每个多端口放大器包括多个微波功率放大器单元、多个输入端口、和多个输出端口，所述输入端口和所述输出端口通过信号划分网络连接至所述放大器单元，使得任何输入端口处的输入信号被所有放大器单元放大，然后在输出端口处被重新组合成输出信号，

提供至少一个输出复用器，每个输出复用器包括经由传输线耦合至输出端口的多个输入端口，并且每个输入端口经由相应的带通滤波器耦合至输出端口，每个所述带通滤波器具有预定的通过带宽，其中在输出复用器的相邻通频带之间具有防护频带，

其中，下行链路信道包括在下行链路信号带宽上隔开的多个频率信道，并且所述方法包括：

选择性地将所述频率信道定向到所述一个多端口放大器的输入端口，

以及，将所述一个输出复用器的输入端口选择性地耦合至所述一个多端口放大器的输出端口，其中，将所述防护频带的大小定为频率上的预定宽度，以便至少部分地补偿所述一个多端口放大器的串扰特性。

13.根据权利要求12的所述的方法，其中，提供至少一个输出复用器包括提供至少第一和第二输出复用器，每个输出复用器具有覆盖所述下行链路信号带宽的带宽，所述第一和第二输出复用器的通过带宽是交织的，使得所述第一输出复用器的输入中至少一些输入各自完全位于所述第二输出复用器的防护频带内，并且所述第二输出复用器的输入中至少一些输入的信号带宽各自完全位于所述第一输出复用器的防护频带内，所述方法包括：将所述一个多端口放大器的第一输出连接至所述第一输出复用器，以及将在频率上与所述第一输出相邻的、所述一个多端口放大器的第二输出连接至所述第二输出复用器。

14.根据权利要求12或13所述的方法，提供至少一个多端口放大器包括提供至少第一和第二多端口放大器，所述第一多端口放大器具有覆盖所述信号带宽的第一部分的带宽，所述第二多端口放大器具有覆盖所述信号带宽的第二部分的带宽。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，每个输出复用器连接至多元件天线的相应天线元件，以形成相应的单一馈送点波束。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一输出复用器连接至多元件天线的第一天线元件，所述第二输出复用器连接至多元件天线的第二天线元件，所述第一天线元件和第二天线元件提供单一点波束。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述防护频带的宽度是相邻通频带的宽度的至少50％。

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