CN113346940B - 一种适用于低轨卫星间的太赫兹通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于低轨卫星间的太赫兹通信系统，属于卫星通信技术领域。该系统在本振链路采用星上100M时钟参考，降低相噪和保持频率稳定，减少了因为多次倍频产生的频率偏移。行波管放大器使发射载荷的功率提升到5W以上，天线增益达到了48dB。在射频链路中采用了固态放大器，充当行波管放大器的驱动级。固态放大器和行波管放大器之间加入了隔离器，防止反射的能量通过回路进入上变频，对其中的混频器、倍频器、固态功放等射频器件造成损坏。本发明实现了太赫兹在低轨卫星间的传输，并且在传输效果具备高速和远距离的特点。

Description

一种适用于低轨卫星间的太赫兹通信系统
技术领域
本发明涉及到卫星通信技术领域，特别涉及一种适用于低轨卫星间的太赫兹通信系统。
背景技术
Terahertz(太赫兹)一般是指电磁波谱上频率在0.1～10THz范围内的电磁波段。太赫兹波介于微波毫米波和红外之间，处于宏观理论向微观量子理论的过渡区，电子学和光子学的交叉区域，特殊的位置决定了其具有同其它波段不同的特殊性质。
相对于微波通信而言，太赫兹通信的优点如下：1)带宽资源丰富，通信容量更大；2)太赫兹波被大气层完全吸收，无法到达地球表面，因而太赫兹波具有更好的保密性及抗干扰能力；3)太赫兹波波长相对更短，在完成同样功能的情况下，天线的尺寸可以做得更小，收发组件也可以做得更加简单，有利于降低通信系统的重量和体积，适合飞行器搭载。
而相当于激光通信来说，太赫兹通信的优点则有：1)用光子能量约为可见光的1/40的太赫兹波作为信息载体，能量效率更高，适用于能量受限的空间平台；2)太赫兹信号的波束相对较宽，可达几个毫弧度，简化了捕获与跟踪系统(APT)的设计难度。
但太赫兹通信在卫星上的还有着实际应用问题：太赫兹源的功率不足、太赫兹接收机噪声过大以及调制解调的速率不高，这些问题极大制约着太赫兹技术在空间应用的开展，并且由于器件的限制，太赫兹远距离高速传输上还存在一定的困难。
发明内容
有鉴于此，本发明一种适用于低轨卫星间的太赫兹通信系统。该系统实现了太赫兹在低轨卫星间的传输，并且在传输效果具备高速和远距离的特点。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种适用于低轨卫星间的太赫兹通信系统，包括发射载荷和接收载荷，所述发射载荷包括发射天线、第一W波段倍频源、第一谐波混频器、固态放大器、行波管放大器、隔离器、上变频单元和第一锁相源；所述接收载荷包括接收天线、低噪放、下变频单元、第二谐波混频器、第二W波段倍频源和第二锁相源；
信号的发射过程：第一锁相源输出本振信号，依次经过上变频单元的处理和W波段倍频源的放大，输入至第一谐波混频器中；第一谐波混频器将输入的本振信号谐波和基带信号相结合，并搬移到太赫兹频段，通过固态放大器使其发射功率达到12dBm；之后再经过隔离器发送至行波管放大器，行波管放大器对信号放大到5W以上，最终由发射天线发送太赫兹信号；
信号的接收过程：接收天线接收太赫兹信号，由低噪放对太赫兹信号放大，发送至第二谐波混频器中；第二锁相源输出本振信号，经过第二W波段倍频源的放大，输入至第二谐波混频器中；所述第二谐波混频器对输入的太赫兹信号和本振信号谐波进行下变频，把频率搬移到低频段，经下变频单元的处理至中频频率，最终解调获得基带信号。
进一步的，所述发射行波管放大器一侧设有用于散热的导热管。
本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明通过在射频链路中使用太赫兹固态功放和行波管放大器的方式，使发射载荷的最大输出功率达到了5W以上。太赫兹固态放大器充当行波管放大器的驱动级，并且太赫兹固态放大器和行波管放大器之间加入了太赫兹隔离器，防止反射的能量通过回路进入上变频，对其中的混频器、倍频器、固态功放等等射频器件造成损坏。
2、本发明通过将太赫兹行波管放大器和高增益抛物面天线应用于通信系统中，发射天线和接收天线采用多折线的多模喇叭作为初级辐射体，多模喇叭后端与圆极化器连接。天线半波束宽度为0.5度，最高增益值为48dBi，使太赫兹信号在空间的传输距离达到了600km以上。
3、本发明天线主反射器外主面-碳纤维复材M40J；馈源-铝合金，整个天线重量为0.7kg；为减小热形变造成的影响，主反射器正面(凹面)镀银；反射器背面由5个单元低温多层组件包覆(外表面膜用黄膜)。本发明采用卡塞格伦双反射面天线，设计了性能优良、结构合理的、高精度的反射面，将太赫兹波辐射出去。此系统能够采用多种天线发射信号，包括但不限于阵列天线和高增益天线。
4、本发明发射机的输出频率为220GHz,带宽8GHz，采用的调制方式为QPSK，其频谱利用率高，有利于通信容量的进一步提高。同时也支持16QAM高阶调制方式，传输速率可达10Gbps，通信系统误码率低于1.0*10-6。
附图说明
图1是本发明实施例发射载荷的结构框图；
图2是本发明实施例接收载荷的结构框图；
图3是本发明实施例发射载荷的电接口示意图；
图4是本发明实施例接收载荷的点接口示意图。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
本发明要解决的技术问题是太赫兹通信在卫星上的实际应用困难，太赫兹源的功率不足、太赫兹接收机噪声过大以及调制解调的速率低，这些问题将极大制约太赫兹技术在空间应用的开展，由于器件的限制，目前太赫兹远距离高速传输上还存在一定的困难。
本发明结合当前微电子领域的技术基础，面向应用设计可行的系统方案和切实的实际方案，并已应用到实际的星间通信中。
参照图1至图4，本实施例中的太赫兹接收载荷搭载在一颗卫星上，太赫兹发射载荷搭载在另一颗卫星上；
太赫兹发射载荷包含发射天线、第一W波段倍频源、第一谐波混频器、固态放大器、行波管放大器、隔离器、上变频单元和第一锁相源；太赫兹接收载荷包含接收天线、低噪放、下变频单元、第二谐波混频器、第二W波段倍频源和第二锁相源。
太赫兹发射载荷主要包括第一锁相源、第一W波段倍频源、上变频单元和第一高频单元及为它们供电的二次电源。其中，上变频单元包括有上变频器、滤波器、放大器模块等；第一高频单元包括第一谐波混频器、固态放大器、隔离器、太赫兹行波管放大器。
太赫兹接收载荷主要包括第二锁相源、第二W波段倍频源、下变频单元和第二高频单元以及为它们供电的二次电源。其中，下变频单元包括有下变频器、滤波器、AGC电路、放大器模块等；第二高频单元包括第二谐波混频器和低噪放。太赫兹本振链路采用星上时钟参考，这样可以降低相噪和保持频率稳定，减少了因为多次倍频产生的频率偏移。
信号发射过程：利用锁相技术的间接频率合成可以使振荡器的输出频率被高稳定的晶振(星上时钟参考)锁定，易于实现低相位噪声、高频率稳定度的频率源。第一锁相源产生的频率为12.59GHz的信号经第一W波段倍频源产生100GHz的信号，作为高频单元中谐波混频器的本振信号，与综合处理载荷部分的中频调制信号相结合，将低频基带信号搬移到太赫兹频段，后端接固态放大器，使发射功率达到12dBm，然后接行波管放大器。太赫兹固态放大器和行波管放大器之间加入了太赫兹隔离器，防止反射的能量通过回路进入上变频，对其中的混频器、倍频器、固态功放等等射频器件造成损坏。行波管放大器后端经过弯波导与舱外的太赫兹发射天线相连。
信号的接收过程：舱外接收天线接收太赫兹信号，由低噪放对太赫兹信号放大，发送至第二谐波混频器中；第二锁相源输出本振信号，经过第二W波段倍频源的放大输入至第二谐波混频器中；所述第二谐波混频器对输入的太赫兹信号和本振信号谐波进行下变频，把频率搬移到低频段，经下变频单元的处理至中频频率，最终综合处理载荷解调获得基带信号。
在发射天线和接收天线均为0.2m口径半径后馈抛物面天线情况下，半波束宽度为0.5度，最高增益值为48dBi，半波束宽度覆盖范围内增益值在45dBi以上。在发射天线和接收天线均采用后馈抛物面天线，采用多折线的多模喇叭作为初级辐射体，多模喇叭后端与圆极化器连接。半波束宽度为0.5度，最高增益值为48dBi，主反射器外主面-碳纤维复材M40J；馈源-铝合金，整个天线重量为0.7kg；考虑卫星平台的如下误差：
a卫星本身位置精度：0.02km
b卫星姿态误差：0.05度
c天线安装误差：0.05-0.1度
天线的波束宽度远大于卫星姿态误差和天线安装误差，本实施例没有天线伺服系统也可以进行通信，当接收载荷接收的电平不够高的时候，只需要卫星姿态进行微调即可以对准。
天线主要由天线主面、天线副面、副面支撑、底座支撑圆盘四部分组成，星载天线通常工作于外太空环境下，由于太阳辐射的影响，工作中的天线结构可能处于冷热交替过程中，结构的热变形同样可能对天线性能造成较大的影响。天线由热变形引起的指向精度偏差是最主要的影响因素，为减小热形变造成的影响，对天线实施如下热控措施。
(1)主反射器正面(凹面)镀银；反射器背面由5个单元低温多层组件包覆(外表面膜用黄膜)，镀铝面朝内；
(2)副反射器反面(凹面)喷白漆；
(3)副反支撑杆喷白漆；
(4)馈源组件喷白漆；
(5)支撑结构包覆多层(外表面膜用黄膜)
将行波管放大器和馈抛物面天线应用于通信系统中，使发射载荷的功率提升到5W以上。并且在射频链路中采用了太赫兹固态放大器，充当行波管放大器的驱动级，解决的技术问题是太赫兹通信在卫星上的太赫兹源的功率不足。
EPC提供与行波管相匹配的各极工作电压，EPC的工作状态受地面指令信号的控制，同时给出TWT关键工作参量(螺流)以及TWTA工作状态的遥测信息，还对TWT以及对母线电源起到保护作用。测试结果显示电源能够保证行波管的正常工作，高压电源通过RS422总线接口提供高压电源内部状态的遥测，以及内部故障信号。同时增加两条控制指令，监测行波管的状态。
根据行波管热态分布情况，为了给卫星上的行波管放大器充分的散热，沿着行波管放置纵向分布一条导热管，这样可以将行波管放大器产生的热量充分的传导出去，保证行波管的正常工作。
操作可分为两个过程：(1)星间太赫兹链路对准(2)通过星间太赫兹链路实现数据传输。
正常太赫兹通信测试过程：
1)设备加电启动。信道终端、站内监控前端机设备加电，通过站内监控操作终端查看设备工作状态是否正常；
2)下行链路建立。在站内监控操作终端中选择本站所在波束、接收速率，网控代理自动配置中高速调制解调器解调器参数，建立下行链路；
3)在两星太赫兹载荷正常通信的情况下，由地面站向发射星上注循环播发的固定帧数据源，经由星间太赫兹链路从接收星下载解调之后的信号星座图并确定调制体制，并测试传输速率及符号率。
当太赫兹载荷不能正常通信的情况下，进行卫星姿态微调，等待天线对准后，再次进行通信。

Claims (1)

1.一种适用于低轨卫星间的太赫兹通信系统，包括发射载荷和接收载荷，其特征在于，所述发射载荷包括发射天线、第一W波段倍频源、第一谐波混频器、固态放大器、行波管放大器、隔离器、上变频单元和第一锁相源；太赫兹固态放大器和行波管放大器之间的太赫兹隔离器，防止反射的能量通过回路进入上变频，对其中射频器件造成损坏；发射行波管放大器一侧设有用于散热的导热管；所述接收载荷包括接收天线、低噪放、下变频单元、第二谐波混频器、第二W波段倍频源和第二锁相源；
信号的发射过程：第一锁相源输出本振信号，依次经过上变频单元的处理以及W波段倍频源的放大输入至第一谐波混频器中；第一谐波混频器将输入的本振信号谐波和基带信号相结合，并搬移到太赫兹频段，通过固态放大器使其发射功率达到12dBm；之后再经过隔离器发送至行波管放大器，行波管放大器对信号放大到5W以上，最终由发射天线发送太赫兹信号；
信号的接收过程：接收天线接收太赫兹信号，由低噪放对太赫兹信号放大，发送至第二谐波混频器中；第二锁相源输出本振信号，经过第二W波段倍频源的放大输入至第二谐波混频器中；所述第二谐波混频器对输入的太赫兹信号和本振信号谐波进行下变频，把频率搬移到低频段，经下变频单元的处理至中频频率，最终解调获得基带信号。
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