CN117200855A - 一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统 - Google Patents
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Abstract
一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，属于卫星通信技术领域。本发明通过优化卫星载荷架构，将低噪声网络集成到天线分系统中，采用温控系统保障低噪放组件的正常工作温度，能够有效降低卫星载荷接收通道前端的链路损耗，显著改善G/T值。进一步本发明通过对导波传输系统优化设计，在卫星载荷的低噪放网络、功分网络和变频网络间采用波导和电缆相结合的设计方式，减少转发器中间链路损耗，降低低噪放后端的链路损耗对噪声系数的影响，优化了链路性能平衡了系统重量和设计复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，属于卫星通信技术领域。
背景技术
采用传统Ku、Ka频段的高通量卫星载荷技术已远远无法满足用户对于高速率和超大容量的需求，在大容量拓展的技术路径上，频率资源已经成为制约高通量卫星发展和应用的主要技术瓶颈。为此，采用频率资源更为丰富的毫米波频段，作为馈电链路的使用频率，将星地通信规划的Ku/Ka频段全部作为用户接入/下发频段，可使用户波束获得更多的带宽资源。同时，毫米波频段带宽更宽，以毫米波的Q/V频段为例，单极化可用通信带宽高达5GHz，应用Q/V频段做馈电链路的高通量卫星通信系统，单个信关站可管理更多的用户带宽，能有效减少地面信关站数量、控制系统成本，是提升卫星系统容量的重要手段之一。
使用毫米波频段做馈电链路的极高频甚高通量卫星有效载荷示意图如图1所示，前向链路馈电接收天线接收毫米波频段上行信号，经过低噪声放大网络、功分网络、变频网络后，信号下变频至Ka/Ku频段，通过功放网络中的行波管放大器进行功率放大，再通过输出多工器网络形成多个用户通道，信号最后由用户发射天线发送给用户终端。返向链路用户接收天线接收来自用户终端的Ka/Ku频段上行信号，经过低噪放网络、输入多工器网络、变频网络后上变频至毫米波频段，通过功放网络中的行波管放大器进行功率放大，再通过馈电发射天线将信号发送到地面信关站。
甚高通量卫星采用毫米波频段获得更多带宽资源，但极高频率也会引出更多的噪声干扰。首先，极高频下天线接收的地球背景噪声温度增加，使得天线接收的噪声更大。其次，相对于传统Ku、Ka频段，毫米波频段下的导波传输系统的链路损耗增大，毫米波频段设备如低噪放组件、行波管放大器等的噪声系数增高，导致载荷系统噪声系数急剧增加，对接收端G/T值影响变大。再次，载荷系统设备之间的连接损耗增加，对系统噪声系数影响加剧。最后，极高频甚高通量通信卫星，丰富的带宽与功率之间需要折衷设计，用户波束频率规划带宽持续拓宽，导致系统热噪声功率增大，从而占用更多的行放输出功率。如上所述，甚高通量卫星采用毫米波频段固然可以获得丰富的带宽资源，但同时载荷系统也面临着更多的噪声干扰问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，通过多种降噪方法，在具备系统可实现的技术前提下降低卫星载荷噪声系数和噪声功率，有效提升极高频段甚高通卫星宽带通信性能。
本发明的技术解决方案是：一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，包括天线分系统和转发器分系统，两个分系统的接口设置在低噪放网络的输出端；
所述天线分系统包括接收天线反射器及其馈源网络、发射天线反射器及其馈源网络和低噪放网络，均位于通信卫星通信舱外；所述接收天线反射器及其馈源网络用于接收地面信关站向卫星发射的调制信号，并将接收到的信号进行极化分离，以及对干扰信号进行抑制和滤波，将处理后的信号发送至低噪放网络；所述低噪放网络用于对接收天线反射器及其馈源网络发送的信号进行低噪声系数的初步放大，并发送至转发器分系统；所述发射天线反射器及其馈源网络用于向地面发送转发器分系统输出的信号；
所述转发器分系统包括功分网络、变频网络、功放网络和输出多工器网络；所述功分网络用于对天线分系统发送的信号进行功分滤波并发送至变频网络；所述变频网络用于将功分网络发送的信号变频到下行发射频率上，按照频率规划确定其频点，并发送至功放网络；所述功放网络用于对变频网络发送的下行信号进行功率放大并发送至输出多工器网络；所述输出多工器网络用于对功放网络发送的下行信号进行通道化，并通过发射天线反射器及其馈源网络发射到对应的地面用户波束。
进一步地，所述低噪放网络包括控温系统，用于控制天线分系统所在工作环境的温度在预设范围内，并将工作环境的温度遥测传送到地面。
进一步地，所述接收天线反射器及其馈源网络与低噪放网络之间采用波导连接。
进一步地，所述低噪放网络与功分网络之间以及功分网络与变频网络之间采用电缆连接。
进一步地，若低噪放网络与功分网络之间、功分网络与变频网络之间采用电缆时的有效载荷噪声系数恶化超过0.3dB，则低噪放网络与功分网络之间、功分网络与变频器网络之间采用波导连接。
进一步地，地面信关站向卫星发射的调制信号频段为毫米波频段、Ka频段或太赫兹频段。
进一步地，通过通道最大带宽分配，约束噪声功率占比小于10％，限制所述有效载荷系统热噪声功率。
进一步地，从接收天线馈源网络的输出口到低噪放网络的输入口为输入端载荷设备，其布局连接路径长度为0.3m～0.5m，从功率放大器到发射天线馈源网络的输入口为输出端载荷设备，其布局连接路径长度为1.5～2.5m。
进一步地，当局部载荷输入、输出端设备连接路径超出范围时，通过调整设备位置或在设备之间搜索最短路径的方法，重新进行布局。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过优化卫星载荷架构，将低噪声网络集成到天线分系统中，采用温控系统保障低噪放组件的正常工作温度，能够有效降低卫星载荷接收通道前端的链路损耗，显著改善G/T值；
(2)本发明通过对导波传输系统优化设计，在卫星载荷的低噪放网络、功分网络和变频网络间采用波导和电缆相结合的设计方式，减少转发器中间链路损耗，降低低噪放后端的链路损耗对噪声系数的影响，优化了链路性能平衡了系统重量和设计复杂度；
(3)本发明通过一种系统带宽约束的方法，合理分配每路行波管放大器内有效信号的带宽，实现降低噪声功率，提升输出效率的作用。
(4)本发明通过通信舱迭代布局设计的方法，实现减少通道链路损耗，降低系统噪声温度，改善G/T值的目的。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为毫米波频段甚高通量卫星载荷原理框图；
图2为G/T值分析模型；
图3为甚高通量卫星载荷传统架构；
图4为改进甚高通量卫星载荷架构；
图5为优化的导波传输系统；
图6为频率规划示意图；
图7为频率规划示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括：采用毫米波馈电技术后，为解决高通量通信卫星载荷传统设计方法导致的高系统噪声问题，本文首先对载荷构架进行改进，其次对导波传输系统进行优化设计，之后对载荷用户波束带宽进行合理规划限定，最后通信舱布局多次迭代，通过以上4个步骤实现甚高通量卫星有效载荷系统低噪声目的。
以下分别叙述4个步骤：
①载荷构架优化
G/T值是甚高通量通信卫星上行通道的关键指标，G/T值越高，输入信号信噪比越低，信号质量越好。
G/T＝G-10lgT (1)
G/T值分析模型如图2所示，其中G为天线接收增益(dB)；Ta为天线折算到馈源输出口的噪声温度(K)；L1为输入插损(dB)，由连接波导损耗、滤波器损耗以及连接失配损耗组成；Ts为折算到低噪声放大器输入端的噪声温度(K)；TLNA为低噪声放大器的噪声温度(K)；GLNA为低噪声放大器增益(dB)；L2为中间段损耗(dB)，由设备连接电缆/波导的损耗、功分网络的损耗、连接失配损耗等组成，F2为变频器的噪声系数(dB)，这里忽略了变频器后端设备对噪声系数的影响。
接收系统噪声温度为低噪放前端、低噪放及低噪放后端设备折算到低噪声放大器入口的噪声温度之和，即
TS＝TLNAU+TLNA+TLNAD(K) (2)
TLNAU为低噪声放大器之前设备的噪声温度折算到低噪声放大器入口的噪声温度，TLNA为低噪声放大器本身的噪声温度；TLNAD为低噪声放大器后端设备的噪声温度折算到低噪声放大器输入口的噪声温度。从公式(4)可以看出，低噪声放大器后面设备对接收系统噪声温度的贡献相对较小。
由于接收端G/T值受到低噪声放大器后端影响较小，因此减少馈电接收天线到低噪声放大器之间的链路损耗是改善卫星载荷接收端G/T值的关键。
为此系统首先对载荷构架进行优化：
以往高通量卫星有效载荷设计时，上行接收端的低噪声放大器网络归类到转发器分系统中，为保持较好的工作温度环境，网络布局在通信舱内，其结构如图3所示。由于转发器分系统与天线分系统工作温度差异性大，分别布局在通信舱内和通信舱外，设备之间距离较远，连接波导较长，对于Ku或Ka频段频段的波导，损耗约为0.2～0.5dB/m，导波系统的损耗在系统可承受的范围内。当采用毫米波频段做馈电上行通信频率时，一方面波导损耗增加到约1.5dB/m；另一方面甚高通量载荷通道数量激增导致布局空间紧张，部分接收天线与V频段低噪放网络之间导波系统长度过长，链路插损增加。由噪声温度公式TS和TLNAU可知，馈电天线至低噪放放大器间的输入插损L1的增加对系统噪声影响最大，导致接收端G/T值的恶化最为明显。
针对传统载荷架构设计以及低噪声放大器前端输入损耗对系统噪声影响大的问题，提出了一种改进的甚高通量卫星载荷架构设计，将毫米波频段低噪放网络前移至天线分系统中，与馈电接收天线的馈源网络集成在一起，缩短馈电天线输出口面至低噪放输入口面间波导的设计长度，降低低噪声放大器之前的链路损耗L1，从而有效降低系统噪声温度T，达到优化接收端G/T值的目的。其结构如图4所示。
低噪声放大器网络集成到天线馈源网络中，布局位置由通信舱内转到舱外，环境温度范围发生大范围的变化，因此该系统构架优化时，需要配置低噪放网络的控温系统，保证低噪放在-20～+60℃的正常温度范围内工作。控温系统的温度传感器能够采集低噪放本体的工作温度，以遥测数据的方式传回地面控制站。当遥测数据显示低噪放温度过高或过低时，通过地面发送指令，起动温控系统的散热器或加热器对低噪放实施降温或升温措施，保证低噪放网络工作在正常的温度范围内。
本专利提出的载荷架构设计方法将低噪声放大器网络集成在天线分系统中，减少天线输出端到低噪声放大器入口间波导长度，对传统载荷架构中平均输入波导长度和提出的优化载荷架构中平均输入波导长度进行了对比，详细参数见表1，优化架构相比于传统架构可以有效缩短输入波导长度。甚高通量卫星均使用卫星大平台，因此改进架构中对于减少输入波导长度的效果更为显著。在DFH4E平台工作的高轨卫星，毫米波频段下的插入损耗平均能够减少2.5dB，有效降低了系统噪声温度T，显著改善了系统G/T值。
表1传统构架与优化架构的损耗比对
②导波传输系统优化设计
传统构架的高通量卫星由于转发器通道数量多，载荷在设计过程中基本采用电缆作为低噪声放大器网络之后的导波系统来使用。采用射频电缆能够方便系统集成，减少空间需求，降低载荷重量。对于极高频甚高通量载荷，电缆损耗远大于传统的Ku、Ka频段损耗，而且甚高通量广域覆盖引入通道数量激增(超100路)，导致部分链路连接长度增加。因此，甚高通量卫星采用电缆传输信号可能会进一步恶化接收性能，传统连接方法已不适于极高频甚高通载荷。
因此，考虑使用波导来传输低噪声放大器到变频组件之间的射频信号，以毫米波的V频段为例，BJ500波导在V频段的插损约1.5dB/m，相比较V频段电缆6.5dB/m左右的损耗，波导的使用无疑对极高频载荷设计有着足够强大的优势。由于载荷空间尺寸和重量受限，所有导波系统设计存在布局约束多、设计灵活性差的特点，当馈电波束管理更多用户波束时，通道数量会成倍增加，如果全部采用波导连接，又将对波导系统设计和整星重量带来巨大压力。
为此，对甚高通量卫星有效载荷导波传输系统进行了优化设计，方法如下：
馈电网络与低噪声放大器之间、低噪声放大器到功分网络之间采用波导连接，功分网络到变频网络间采用电缆连接，如图5所示。这种导波系统方式，能够平衡系统接收性能和载荷重量，也能够降低导波系统设计复杂度。
以下对本文提出的导波传输系统设计方法和传统导波系统设计方法进行对比分析，评估本文所提出方法对系统噪声的改善效果。
根据载荷设计的指标进行链路预算，一般低噪声放大器增益为45dB，低噪声放大器与变频组件间的导波系统长度约为3.5～5米，使用V频段做馈电频率时，电缆插损为22.5～32.5dB之间，波导插损为5～7.5dB之间，考虑多工器和开关的插损，传统电缆导波系统下低噪放与变频器之间的链路损耗在27～37dB，本文提出的改进导波系统的链路插损为8.5～11dB，相差了17.5～25dB。假设甚高通量系统采用传统电缆导波系统下的系统噪声系数为6.1dB，则采用本文改进的导波系统下的系统噪声能够提升到4.2dB左右，系统噪声改善了1.9dB左右，提升效果明显。
③载荷通道带宽上限约束
为说明具体问题，本文通过一个实际案例例证带宽与噪声的具体关系：
按照一个关口站上行带宽4GHz，用户波束下行带宽400MHz来设计，一个关口站考虑双极化可以同时管理16个用户波束，即采用8色频率复用。也可将用户波束设计成1000MHZ带宽，即一个关口站考虑双极化可以同时管理8个用户波束，即采用4色频率复用(见图6)。
在给定噪声温度和转发器增益下，噪声功率与系统带宽成正比，系统带宽为功放有效信号带宽。对于用户波束，每路功放可以承载多个用户波束，表2考虑两种系统带宽下的噪声功率，第一种为单个功放承载带宽1GHz，另一种为单个功放承载带宽为400MHz。其中V频段天线噪声温度取300K，转发器噪声温度为620K，系统增益档为118dB，功放输出功率为100W。
表2不同带宽下系统噪声功率
| 指标 | 噪声功率(1GHz) | 噪声功率(400MHz) |
| 转发器噪声温度(K) | 620 | 620 |
| 天线噪声温度(K) | 300 | 300 |
| 系统噪声温度(K) | 920 | 920 |
| 系统带宽(MHz) | 1000 | 400 |
| 增益档(dB) | 118 | 118 |
| 系统噪声功率(dBW) | 12.05 | 5.05 |
| 系统噪声功率(W) | 8.0 | 3.2 |
可以看出1GHz和400MHz下的功放噪声功率分别为8W和3.2W左右，噪声占功放总功率的8％和3.2％。
卫星属于资源受限系统，系统噪声功率不应大于输出功率的10％，规划转发器通道带宽时，对最大带宽上限进行约束，即应满足如下条件：
BWmax≤P×10％/(K*G*T)
其中，BWmax定义为转发器通道最大带宽，P为输出功率，其中，K为波尔兹曼常数，1.38×10-23J/K，T为系统噪声温度，G为转发器增益。
由此可以通过控制系统带宽达到减少系统噪声的作用，在已知系统噪声温度T和转发器增益G的情况下，根据系统噪声功率约束条件可以得到转发器通道最大带宽BWmax。如果设计过程中系统带宽BW大于BWmax，功放有用功率不足90％，，噪声功率占比过大，载荷系统信噪比下降明显。通过约束最大通道带宽，降低系统噪声功率，减少噪声功率占比。
④通信舱迭代布局
甚高通量卫星载荷一般会有上百个通道，通信舱布局时，通过迭代布局调整链路的损耗，实现降低噪声的目的。初步布局后，统计导波系统的长度，一般情况下输入端载荷设备布局从接收馈源输出口到低噪放输入口连接路径长度在0.3m-0.5m内，输出端载荷设备布局从功率放大器到发射馈源输入口连接路径长度在1.5-2.5m内，对于连接路径超过上述长度的的通道，进行设备的位置调整和连接导波系统路径的调整，重新布局，减少连接长度，降低连接损耗，流程图如图7所示。
在本申请实施例所提供的方案中，极高频甚高通量卫星低噪声载荷实现方法的主要步骤描述如下：
步骤1：载荷系统方案阶段，将低噪放网络集成到天线馈源网络中，与馈电天线统筹设计，使馈电天线到低噪放之间的链路长度降至最低。同时采用温度控制措施保证低噪声放大器工作在正常温度范围内。
步骤2：极高频馈电端转发器导波系统的设计过程中，低噪放网络到功分网络采用波导连接，功放网络到变频网络之间首选电缆连接。当系统噪声系数超出指标要求，可进一步评估该段连接方式，本文给出评估方法如下：
定义功放网络到变频网络间采用电缆时的系统噪声为NF_C,功放网络到变频网络间采用波导时的系统噪声为NF_W。
(1)系统噪声满足：
NF_C≥NF_W+0.3dB
如果在功放网络到变频网络间采用电缆连接时的系统噪声相比于采用波导连接时的系统噪声恶化大于0.3dB时，建议采用波导作为射频传输通道。
(2)如果系统噪声满足：
NF_C<NF_W+0.3dB
如果在功放网络到变频网络间采用电缆连接时的系统噪声相比于采用波导连接时对系统噪声的恶化小于0.3dB时，建议采用电缆作为射频传输通道，如果这种情况下G/T值余量不满足要求，也可以采用波导。
步骤3：根据有用信号功率PS和噪声功率约束条件N＝PS×10％得到最大系统带宽BWmax，调整有效载荷频率规划，使得通带带宽小于BWmax，，保证每路功放不会有过多的噪声功率而导致功率损失。
步骤4：通过载荷通信舱迭代布局方法，降低低噪声放大器后端链路损耗对系统噪声的恶化影响。
(1)根据系统框图中的连线关系，完成通信舱设备的初步布局；
(2)根据初步布局结果，计算输入端、输出段设备之间的电缆或波导长度；
(3)判断连接长度是否超出预设范围；
(4)长度超出预设范围，调整低噪放之前或功放之后的设备位置，减少链路连接路径长度，重新布局。
(5)当输入端设备调整效果不佳时，则调整变频器的位置，减少变频器和低噪声放大器之间链路连接长度；调整变频器与TWTA之间的电缆路径，减少链路连接长度；(6)重新计算各通道的噪声系数，噪声系数仍超差，重复(5)。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，其特征在于，包括天线分系统和转发器分系统，两个分系统的接口设置在低噪放网络的输出端；
所述天线分系统包括接收天线反射器及其馈源网络、发射天线反射器及其馈源网络和低噪放网络，均位于通信卫星通信舱外；所述接收天线反射器及其馈源网络用于接收地面信关站向卫星发射的调制信号，并将接收到的信号进行极化分离，以及对干扰信号进行抑制和滤波，将处理后的信号发送至低噪放网络；所述低噪放网络用于对接收天线反射器及其馈源网络发送的信号进行低噪声系数的初步放大，并发送至转发器分系统；所述发射天线反射器及其馈源网络用于向地面发送转发器分系统输出的信号；
所述转发器分系统包括功分网络、变频网络、功放网络和输出多工器网络；所述功分网络用于对天线分系统发送的信号进行功分滤波并发送至变频网络；所述变频网络用于将功分网络发送的信号变频到下行发射频率上，按照频率规划确定其频点，并发送至功放网络；所述功放网络用于对变频网络发送的下行信号进行功率放大并发送至输出多工器网络；所述输出多工器网络用于对功放网络发送的下行信号进行通道化，并通过发射天线反射器及其馈源网络发射到对应的地面用户波束。
2.根据权利要求1所述的一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，其特征在于，所述低噪放网络包括控温系统，用于控制天线分系统所在工作环境的温度在预设范围内，并将工作环境的温度遥测传送到地面。
3.根据权利要求1所述的一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，其特征在于，所述接收天线反射器及其馈源网络与低噪放网络之间采用波导连接。
4.根据权利要求1所述的一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，其特征在于，所述低噪放网络与功分网络之间以及功分网络与变频网络之间采用电缆连接。
5.根据权利要求4所述的一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，其特征在于，若低噪放网络与功分网络之间、功分网络与变频网络之间采用电缆时的有效载荷噪声系数恶化超过0.3dB，则低噪放网络与功分网络之间、功分网络与变频器网络之间采用波导连接。
6.根据权利要求1所述的一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，其特征在于，地面信关站向卫星发射的调制信号频段为毫米波频段、Ka频段或太赫兹频段。
7.根据权利要求1所述的一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，其特征在于，通过通道最大带宽分配，约束噪声功率占比小于10％，限制所述有效载荷系统热噪声功率。
8.根据权利要求1所述的一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，其特征在于，从接收天线馈源网络的输出口到低噪放网络的输入口为输入端载荷设备，其布局连接路径长度为0.3m～0.5m，从功率放大器到发射天线馈源网络的输入口为输出端载荷设备，其布局连接路径长度为1.5～2.5m。
9.根据权利要求8所述的一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统，其特征在于，当局部载荷输入、输出端设备连接路径超出范围时，通过调整设备位置或在设备之间搜索最短路径的方法，重新进行布局。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311035533.9A CN117200855A (zh) | 2023-08-16 | 2023-08-16 | 一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN202311035533.9A CN117200855A (zh) | 2023-08-16 | 2023-08-16 | 一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统 |
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| CN117200855A true CN117200855A (zh) | 2023-12-08 |
Family
ID=88986011
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202311035533.9A Pending CN117200855A (zh) | 2023-08-16 | 2023-08-16 | 一种极高频甚高通量通信卫星低噪声有效载荷系统 |
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2023
- 2023-08-16 CN CN202311035533.9A patent/CN117200855A/zh active Pending
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