Ka宽带卫星通信

Ka宽带卫星通信（精选8篇）

Ka宽带卫星通信 第1篇

宽带是信息网络的发展方向, 具有和水、电、路等国家基础设施同样重要的地位, 而卫星通信是信息网络的必要支撑。随着传统C, Ku频段轨位和频率资源的日趋稀缺, 卫星通信同步向Ka频段宽带方向发展就成为一个必然的趋势。

目前, 地面移动通信中的蜂窝和频率复用等技术已成功应用于K a频段高通量通信卫星系统 (HTS) 之中。在卫星平台方面, HTS已经发展了两代系统。第一代HTS以Via Sat的Wild Blue1, H u g h e s的S p a c e w a y3等为代表, 系统容量大都在10 G左右;第二代H TS以Eut elsat的K a-Sat, Via Sat的Via Sat1, Hughes的Jupiter1等为代表, 系统容量基本上在100G上下, 普遍具有200~300万用户容量。在VSAT网络方面, 第二代VSAT调制技术——D V B-S 2已经被广泛应用, 第三代调制技术——NS3业已成熟, DV B-RCS回传技术的普遍应用有力地推进了卫星通信行业标准的统一。在市场方面, Ka频段宽带卫星通信已在欧美等地得到成功应用, 主导运营商都发展了数十万用户。

K a频段宽带卫星通信系统容量大、性价比高、应用面广, 因而具有广阔的发展前景。NSR预测, 到2021年, 全球HTS的总需求容量达750Gb/s, 其中, 80%来自宽带接入;总供应容量将增长到1.6T b/s, 这尚不包括O3b卫星星座的容量。

地域环境、人口分布、区域差距、经济发展等国情以及宽带中国、普遍服务等计划的实施, 都要求我国必须大力发展Ka频段宽带卫星通信。我国自主开发的Ka频段宽带卫星通信系统建设工程已经启动。然而, 由于收入差距、行业政策等原因, 一些在国际上主流的应用, 如宽带接入和区域卫星电视直播等, 在我国推广起来并不容易。

任何高技术产业的发展都是一个技术和市场相互适配的过程。对于运营服务商而言, 推广Ka频段宽带卫星通信应用, 需要在其摸清技术特点、国外运营模式基础上, 针对国内具体的市场环境, 选择合适的应用方向和运营模式。

2 技术特点

⊙高频段。相对于L, C, Ku频段, Ka频段可用频率资源最为丰富, 高达3.5GHz, 因而成为宽带卫星通信的发展方向。

⊙点波束。点波束的使用使得卫星频率资源的利用率被提高20倍以上, 与此同时, 系统造价并没有明显变化, 因此, 极大地提高了系统的通信容量和性价比。

⊙小终端。Ka高频段信号具有的高增益使得用户终端得到进一步缩小, 从而提高了用户使用的便捷性。

⊙星状网。在透明转发模式下, 点波束的应用内生性地决定了Ka频段宽带卫星通信系统的星状结构, 这意味着它特别适合提供B2C型应用和服务。

⊙多关口。馈电链路频率的复用、用户的本地化接入、地面关口站的信息处理能力等因素, 要求Ka频段宽带卫星通信系统要设置多个地域分布的关口站。不同关口站之间通过地面光纤网络相互连接, 以形成一个完整的信息网络。

⊙大容量。Ka频段丰富的频率资源、点波束、频率复用等技术的综合运用, 使得Ka频段宽带卫星通信的系统容量提高到100Gb/s之上, 即将发射的Via Sat2的系统容量将达到200多Gb/s。

⊙需切换。点波束应用带来了“动中通”应用时的越区切换问题, 对此, 终端设备和网络管理系统必须有所应对。

⊙抗干扰。Ka频段远离一般地面通信系统所在的工作频率范围, 具有天然的抗干扰性。

⊙雨衰大。Ka频段雨衰相对较大。然而, 自动功率控制、自适应编码和调制技术的进步已使雨衰问题得到有效克服。

⊙适用广。Ka频段宽带卫星通信的星状结构特别适合提供宽带接入DTH、基站中继、IP中继、内容分发、新闻采集、应急通信, 以及机载、船载荷车载类“动中通”等B2C型应用。由于关口站之间的互联互通, 它同样可以提供各种网状应用。

3 应用方向与运营模式

3.1 国外运营模式

传统C, Ku频段卫星通的空间段资源与网络可以分开设计和运营, 而Ka频段宽带卫星通信通常都要卫星和网络要一体化设计, 并且, 在实际运营过程中需要采取不同的舍取和组合。

一般来讲, Ka频段宽带卫星通信的价值链由卫星运营、电信港设施、关口站设施、网络运营、服务提供、终端用户等环节组成。这些环节的不同组合大致形成了垂直一体化运营、分销批发运营、虚拟运营、独立运营等模式, 如图1所示。

其中, 垂直一体化运营是卫星和网络都由一家公司来建设, 同时, 运营服务也由它来直接提供。卫星运营商承担了所有的投入和风险, 也享有所有的收益。此模式适合那些用户规模大、环境一致性强的市场。例如, 在北美市场, Via Sat和Hughes公司都采用这种模式。

分销批发运营是卫星和网络都由一家公司来建设和拥有, 但它并不直接提供服务, 而是将服务批发给本地的分销商, 如ISP、电信运营商、VSAT公司、DTH运营商等企业, 利用它们的市场渠道和营销网络来向用户提供本地化的服务。在市场相对分散的欧洲、亚洲、非洲等地区, 如Eutelsat, IPSTAR公司都是采用这种模式。其中, 卫星运营商虽然负责全部网络和运营支撑系统的投入, 但运行开支大为减少, 而服务提供商只需要重点开发市场, 所以业务发展的速度相对较快。

相对于分销批发运营商, 虚拟运营商要在卫星运营商地面网络平台上建设自己的运营支撑系统, 以管理自己的业务, 而独立运营商则要完全建立自己的网络和运营支撑系统。在后一种情况下, 卫星运营商的角色与传统C, Ku频段相似, 只运营空间段卫星转发器资源。

在实际运营过程中, 以上几种模式可能需要同时并用, 以适应不同的市场环境需要。

3.2 国内应用方向与运营模式

3.2.1 宽带接入

面向千家万户家庭的宽带接入是各国宽带发展计划的重点, 其目标在于提高人口覆盖率, 让全体公民公平地享受宽带带来的福利。Ka频段宽带卫星通信的大容量决定了宽带接入必然是其应用的重心。

与发达国家相比, 目前我国宽带整体发展水平差距依然很大。2012年9月ITU发布的报告显示, 我国固定宽带普及率超过8.3%的全球平均水平, 远低于发达国家25.1%的普及率。2012年底, 我国农村宽带用户为4076万户, 仅占全国23.3%, 人口普及率仅为6.3%, 比城市落后12.6%。这说明, 我国宽带建设、普遍服务任重道远。

2013年8月1日, 我国政府正式发布了《“宽带中国”战略及实施方案》。方案实施以来的结果表明, 由于农村地区由于人口分散、环境恶劣等原因, 普遍存在着光缆设施建设投入大、维护成本高、效益产出少等难题。以贵州、云南等地为例, 为一个住户只有10多家的小山村铺设一根10公里光缆, 就需要花费上千万元人民币。对于这种场景, 假如采用高性价比的Ka频段宽带卫星通信系统, 就能轻而易举解决问题。

由于技术进步缘故, 发达国家新一代Ka频段宽带卫星通信服务的性价比与地面宽带通信已不相上下。以美国Hughes为例, 从2012年10月1日起, 基于Jupiter1的H N Gen 4为家庭用户提供最高达15M b/s的下载速度和2Mb/s的上传速度, 其月服务费49.99美元 (促销价) 起。该服务终端设备免费安装, 每月租赁费用9.99美元, 提供24/7技术支持。

由此可见, Ka频段宽带卫星通信是我国西部农村地区宽带接入的重要方式。当然, 由于技术和经济水平等原因, 目前, 我国Ka频段宽带卫星通信系统的性价比肯定要低一些, 而边远地区的宽带用户的实际支付能力也相对有限。但是, 如果国家采取普遍服务资金补偿等扶持政策, 卫星运营商与地面网络运营商通力合作, 采用Ka频段宽带卫星通信系统向大量、分散的边远地区用户提供宽带服务, 一定会比铺设光纤要合算的多, 同时也为我国Ka频段宽带卫星通信提供宝贵的市场机会, 可谓利国、利民、利企。

显然, 在国内提供宽带接入服务, 卫星运营商不可以采取垂直一体化、直接面向分散用户、与地面电信运营商直接竞争的模式, 而应该采用分销批发模式, 与电信运营商等形成互补合作、互利互惠的关系, 由后者统一向用户提供相应的销售、设备维护等服务。

3.2.2 4G基站中继

基站中继在卫星宽带应用中比重并不太大, 但是其市场需求相对刚性。随着移动互联网逐步从2G向3G, 4G方向演进, 全球商用LTE网络数量已从2011年末的146张增加到2012年7月底的200张, 总计有76个国家开通了LTE网络。NSR对未来几年全球2G, 3G, 4G的消长情况进行了预测, 见图2所示。

N S R认为, 由于地域环境的原因, 在面向移动运营商的基站中继市场, 亚洲地区所占份额最大, 将近达全球总量的四分之一。相对于2G, 3G, 4G小区更小、基站更多、带宽需求更大, 因而为Ka频段宽带卫星通信提供了难得的市场机会。实际上, 从2013年开始, 全球卫星基站中继技术模式已开始从运行于C, Ku频段转发器的老解决方案——SCPC和TDMA, 向基于Ka频段的HTS, O3b等下一代解决方案转移, 国际知名的卫星运营商, 如IPstar, Hughes, O3b, Intelsat, In marsat等, 都在积极开发4G基站中继市场。

2013年底, 中国移动率先获得了4G牌照后, 已在全国范围内大规模建设TD-LTE网络。2014年, 仅中国移动一家就将在全国340个城市建成50万个4G基站, 2014~2016年, 将超过100万个。考虑到4G移动网络基站更多、带宽需求更大, 预计它将需要数GHz的卫星中继带宽需求, 这将为Ka频段宽带卫星通信提供难得的市场。移动运营商在2G, 3G阶段都习惯于采取自建网络、独立运营模式, 可以预见, 4G基站中继也将继续采取这种方式。

3.2.3 动中通与应急通信

“动中通”技术的进步使得固定卫星通信用于移动通信成为可能。“动中通”可以广泛应用于机载、车载、船载以及应急通信等领域, 其中, 机载“动中通”目前最为引人注目, 它已经成为全球各大民航公司的一个卖点, Intelsat, Inmarsat, Viasat等卫星运营商都在积极开拓这项业务。

目前, 我国民航服务部门和相关通信公司都在积极推进机载通信业务。另外, 高铁行驶时间更长, 对于宽带接入需求更多。基于Ka频段宽带卫星通信系统, 可以为高铁乘客提供宽带接入、电话、视频播放等综合服务。由于高铁主要在境内运行, 有理由相信, 相对于民航, 高铁对于Ka频段宽带卫星通信的需求将更大。假如每架客机或列车需要20Mb/s的接入带宽, 那么1 000架客机或辆火车的总需求就是20Gb/s。

民航、高铁服务部门都实际拥有终端客户, 因此, 开展此类“动中通”业务, 需要采用类似虚拟或独立的运营模式。卫星运营商只有与运输企业相互合作, 再与地面网络运营商、内容供应商形成战略联盟, 构筑完整的服务价值链, 才能将业务有效开展起来。

卫星应急通信是“动中通”应用的特定形式。在政府部门的主导下, 我国也已建立一个覆盖全国的天地一体应急通信网络。随着整个信息网络的宽带化, 卫星应急通信也必然向宽带方向发展, Ka频段宽带卫星通信也将成为我国宽带应急通信的必要支撑。相对C, Ku频段, Ka频段宽带卫星通信是星网一体化网络系统, 用于应急通信更为简单, 不必单独组网。

3.2.4 本地DTH与SNG

视频化以及视频高清化构成了信息网络宽带化的主要动力。在高清视频尚未完全普及的情况下, 4K级超高清视频也开始进入市场。从标清到高清、4K级超高清, 带宽需求基本上都是四倍的增加, 这就为Ka频段宽带卫星通信提供新的应用领域, 如图3所示。

在信息网络宽带化、多媒体化发展的同时, 服务差异化以及客户群体分类化也如期推进。在卫星直播电视领域, 则主要表现为节目的专题化和区域覆盖的本地化。近年来, 国际顶尖卫星直播电视运营商几乎都在发展基于Ka频段宽带卫星通信的经济、高效、特色的本地DTH服务。

我国是一个多民族国家, 各地区的文化具有明显的差异性。基于Ka频段宽带卫星通信, 在经济、文化欠发达的中西部地区开展本地化的卫星直播电视服务, 将是必然的选择。一个Ka频段宽带卫星转发器可以传输八十套标清或二十套左右的超高清电视节目, 基本可以满足一个省、市或自治区本地卫星电视直播的需要。与双向传输的昂贵通信终端相比, 单向接收的电视终端非常便宜, 基本上没有技术和市场门槛, 只需要适当的政策支持。

与卫星电视直播相对应的是视频类新闻采集。K a频段宽带卫星通信所具有的大容量、小终端、机动性特性非常适合视频新闻采集应用。欧卫等卫星运营商已经率先提供此类服务, 国内新华社也已经开始这方面的技术探索和业务研究, 相信它必将是我国广电部门未来视频新闻采集的重要手段。

业务性质和行业惯例决定了本地DTH这类大宗业务肯定要采用独立运营模式, 而视频SNG则明显地属于零售业务, 需要采用垂直一体化运营模式, 直接向最终用户提供端到端的传输服务。

4 结束语

Ka频段宽带卫星通信是卫星通信的发展方向, 是国家信息基础设施的重要组成部分, 对宽带中国战略的顺利实施、普遍服务的提供、数字鸿沟的消除等, 都具有重要的支撑作用。与传统C, Ku频段相比, Ka频段宽带卫星通信具有明显的技术特点和特定的优势应用领域。对于每种应用, 也需要特定的运营模式。由于Ka频段宽带卫星通信的关口站通过地面光纤网络互联互通, 从而形成一个完整的网络, 因此, 它同样能够应用于公网、专网、企业内网、企业联网、内容投递、远程医疗等领域。

信息网络已进入随时随地服务、天地一体化运营阶段, 这需要发挥地面光纤、移动和卫星通信的各自优势。在下一代宽带信息网络中, 需要综合发挥电信网点到点模式和广播网点到多点模式的各自优势, Ka频段宽带卫星通信在远程接入、IP中继、内容分发、数据广播等应用方面大有可为。我国Ka频段宽带卫星通信要实现产业化发展, 不仅需要卫星制造商、运营商的积极推动, 更需要政府部门的统筹规划、卫星运营商与地面电信运营商的互补合作, 以形式一个多赢的发展环境。

参考文献

[1]沈永言.4K与4G:驱动我国宽带卫星通信发展的双轮.第十届卫星通信学术年会, 2012年2月.

[2]沈永言, 赵猛.宽带网络的核心价值与卫星通信的重要作用.数字通信世界, 2013年10期.

[3]沈永言.宽带卫星通信的美景、困境与对策.卫星与网络, 2013年12期.

[4]岳家琛.“宽带中国”坎坷:发展遇阻监管受困.http://www.cctime.com/html/2014-5-15/2014515751154629.htm.

[5]徐军, 钱占飞, 贺岸, 卢静.4K超高清电视发展趋势研究报告.中国数字电视, 2013年10期.

[6]周薇薇.4G移动通信技术及其发展趋势分析.信息通信, 2013年8期.

[7]谢丰奕.欧洲卫星公司着力推进超高清电视.卫星电视与宽带多媒体, 2013年19期.

宽带无线移动通信-学习日志 第2篇

本次课程学习，老师先向我们讲解了与宽带无线移动通信相关的基本知识，又带我们去参观了一些正在开发或者已经开发完成的实验产品。无线通信的发展将会是朝着更高速、更便携的方式发展。从最初的模拟移动通信到后来的数字移动通讯，再到现在的宽带无线通信，无线移动通信技术不断发展，不断成熟，传输速度也不断加快。无线移动通信在人类生活、生产中有着越来越重要的地位了。

通过这次学习，我对3G、4G甚至5G的概念有所了解，也明白了其传输原理并不相同，甚至完全不同。人们生活中需要更高的传输速率、更稳定的传输状况，这就促进了宽带无线移动通信的发展。

老师给我们演示的不依赖于基站的无线传输系统，让我打开眼界。仅仅通过工业电脑和一些天线便可以实现高速率无线传输。此技术运用的多天线技术让信号的传输更加稳定，更加高速。在观察中我发下传输实际是有一段的延迟的，向老师讨论的时候，老师给予了解答。这是由于此系统采用软件计算的方式，计算机运行需要一些时间，采用软件计算是为了降低对计算机的要求，扩大系统的适应范围，让其有更高的普适性。

在这次学习中，我接触到了一些以前从未见过的高科技产品，了解了一些科技前沿的知识。在学习中，我一直都有的一个困惑：为什么对讲机必须有一个壳外突出的天线，而不是像手机等一向隐藏在内部。老师给了我一个非常合理的解答，让我受益匪浅。

Ka宽带卫星通信 第3篇

Viasat公司为救灾活动

提供Exede专业卫星宽带服务

2012年11月13日，美国领先的卫星通讯设备及宽带服务提供商Viasat有限公司宣布，美国红十字会的灾难服务在救灾期间使用Viasat公司推出的Exede卫星网络，该网络包括容量高达140Gbps的Ka波段宽带通信卫星Viasat 1和在美国各地17个连接到高速光纤互联网干线的网关地面站，使用多点波束和频率复用等先进技术，可以提供高达15Mbps的下载速度。Exede卫星宽带服务使没有地面宽带服务的用户获得经济实惠和高性能宽带服务的最佳选择。

这是继2012年9月Viasat公司宣布从今年底起为美国捷蓝航空等航空公司的乘客提供12Mbps连接速度的Exede空中宽带互联网服务后为美国救灾活动提供的另一种Exede专业卫星宽带服务。

据称，这种专业卫星宽带服务可以扩展救灾应急通信的功能。其一，经济实惠的高速带宽和紧凑型的终端设备（卫星天线、调制解调器等）在相同的预算内可获得改善的通信质量。其二，卫星带宽容量的“深度”可以减少与需要有限带宽的其他现场的急救员的竞争，即可以提供应急通信的其它替代方案。其三，卫星终端设备的配置可以有多种选择，例如，背包式小型终端（Fly-Away），小型汽车紧凑型终端或安装在耐用的车辆上的终端，以及固定在不同的灾难现场的终端。

美国红十字会表示，可靠的卫星通信是公众在紧急情况下获取帮助的一个至关重要的部分。这就是我们要把Viasat公司作为合作伙伴参与我们的救灾工作之原因所在。使用Exede专业卫星宽带服务，我们的救灾团队可以在没有手机连接或车辆指挥控制的灾难场所传输实时视频和图像，以及双向的信息交流。据称，美国红十字会与Viasat公司已经签约，并成功部署了Exede卫星宽带服务的移动终端，支持桑迪飓风的救灾。

另据11月6日Viasat公司发布的2012年第3季财务报告，截至2012年9月30日，该公司两种Ka波段卫星宽带服务（WildBlue宽带和Exede 12宽带）共拥有42.9万订户，其中Exede新宽带订户从第2季8.9万户快速增加到14.89万户，占公司Ka波段宽带订户总数的份额也从第2季的22%提升到34.7%。报告指出，在第3季安装Exede 12新宽带的7.1267万订户中，1.6432万户是从WildBlue宽带选择升级转换过来的老订户，实际增加的新订户为5.4835万户，其中一部分新订户是从其它地面宽带服务转换到Exede宽带。

休斯公司为中小企业和政府机构

推出HN Gen 4专业宽带服务

2012年11月12日，全球领先的宽带卫星网络和服务提供商美国休斯网络系统公司宣布，今年10月1日该公司透过最近升空的高容量Ka波段宽带通信卫星EchoStar 17在市场上推出的Hughes Net Gen 4（即HN Gen 4）高速卫星宽带互联网服务，启用仅一个月就获得美国各地消费者许多的赞美和支持。这项新Ka波段卫星宽带服务可以提供高达15Mbps的下载速度以及更大的下载能力，支持社交媒体、视频和音乐流媒体等高宽带应用，让消费者获得前所未有的媒体丰富的互联网体验。目前已有大批客户激活HN Gen4服务，成为休斯公司新Ka波段卫星宽带服务订户。

在消费者卫星宽带服务市场日益增长的基础，休斯公司11月26日和11月27日宣布，为美国中小型企业和政府机构推出HN Gen4专业 卫星宽带服务。

为中小型企业推出HN Gen4

商业卫星宽带互联网服务。

休斯公司11月26日推出了三个新的HN Gen4商业卫星宽带互联网服务计划，这项新Ka波段专业卫星宽带服务是由最近发射的高容量 宽带卫星EchoStar17推出，该卫星使用Jupiter高吞吐量技术及多点波束技术，可以为中小企业用户提供高达15Mbps的下载速度和 合理的服务价格。对于美国大陆没有地面DSL等宽带服务或宽带服务昂贵的地区的中小型企业，HN Gen4商业卫星宽带是他们获得高 品质和高速宽带互联网服务的理想选择。

据介绍，新的HN Gen4商业卫星宽带互联网计划提供的下载速度为15Mbps或10Mbps，还可以根据业务需求选择大手笔的数据补贴 。这三个服务计划分别称为Business200/300/400，每月服务费从79.99美元至129.99美元，各中小型企业可根据自身的业务需求 选择适合的宽带服务计划。所有的计划包括第一年免费快速保修、多达三台电脑的免费防病毒软件、商业安装以及商用级24小时/7天 的技术支持，但都需要24个月订购的承诺。

为政府机构推出HN Gen4

专业卫星宽带互联网服务

休斯公司11月27日宣布透过高容量的宽带通信卫星EchoStar17为政府机构推出新Ka波段高速卫星宽带互联网服务计划。这种HN Gen4专业卫星宽带服务可提供高达15Mbps的下载速度，它是在那些地面宽带互联网连接不可用、速度太慢或服务费昂贵的地区政府 机构的理想选择。

据称，该宽带服务计划提供15Mbps或10Mbps的下载速度以及按需定制的数据补贴。所有终端设备由休斯公司提供，并提供快速的 服务激活、可选的专用IP地址和24/7的技术支持。该项服务可用于美国本土、夏威夷和波多黎各，可服务于美国联邦机构、政府机构 以及地方政府的中小型办公室，特别是在偏远地区的政府机构。

Ka宽带卫星通信 第4篇

随着通信、遥控、遥测技术的快速发展, 线极化已很难满足要求。圆极化天线由于可以接收任意极化的来波, 同时圆极化天线辐射出去的电磁波也可以由任意极化形式的天线收到, 因此近年来圆极化天线应用越来越广泛。

本文设计了一种双模喇叭与腔体凹槽型圆极化器相结合的宽带高增益的圆极化喇叭天线。凹槽型圆极化器的原理是在圆波导金属壁上开一些凹槽, 通过调整凹槽的间距、长度、宽度、高度, 使圆极化器输入端的TE10模或TE11模信号经过凹槽之后, 在输出端口产生2个正交的电场, 并且相位相差+90°或者-90°。通过将这种圆极化器与喇叭天线旋转+45°或者-45°即可形成左旋或者右旋圆极化天线。通过HFSS对天线单元结构进行优化仿真。仿真结果表明天线的驻波带宽小于1.2 (19.7GHz-21.2GHz) , 天线方向图法向轴比在±8.7°范围内小于1.5d B, 天线单元增益大于14d B。因此该天线可以作为一些小角度高增益天线阵列的天线单元。

2 圆极化辐射单元设计

天线结构如图1所示, 整个天线结构分为4个部分。第1部分为标准矩形波导段、第2部分为矩圆波导变换段、第3部分为圆极化器波导段、第4个部分为双模喇叭天线。

双模圆锥喇叭的物理机理如下:圆波导的主模是TE11模。通常, 由于主模为TE11模的喇叭的E面方向图比H面方向图窄, 形不成旋转轴对称的辐射方向图, 其峰值交叉极化电平也必然高。因此一般说来主模馈源是一种低效率馈源。如果在主模馈源中引入产生高次模的装置, 而且合适地配置高次模与主模的相对相位, 充分利用不同高次模的不同特性, 就有可能对馈源系统获得很好的性能从而提高整个天线的效率。正是基于这个想法, 本文选择双模喇叭作为天线辐射单元。

图1给出了圆极化器和双模喇叭天线的结构示意图。详细尺寸见表1和表2所示。仿真结果如图2所示。可以看出喇叭天线在整个工作带宽 (19.7GHz-21.2GHz) 范围内, 驻波小于1.2、增益大于17d B、轴比在±8.7°范围内小于1.5d B。

3 结论

本文设计了一种可用于小角度扫描的星载相控阵天线单元。仿真结果表明天线具有7%的阻抗带宽, 在最大方向上, 整个工作带宽范围内天线单元的增益大于17d B, 轴比在±8.7°范围内小于1.5d B。而且整个天线单元包括馈电网络都是金属波导结构, 因此, 天线单元具有低损耗特性。适合用于小角度扫描的星载相控阵天线。

摘要：本文设计了一种应用于通信领域的宽带高增益圆极化喇叭天线。通过将喇叭天线与宽带凹槽圆极化器相结合设计了一种宽带圆极化喇叭天线。文中详细的论述了双模喇叭和圆极化器的设计思路和工作原理, 并给出HFSS仿真结果。结果表明:该天线具有7%的阻抗带宽, 在±8.7°范围内轴比小于1.5d B。天线具有结构紧凑、轴比性能好、频带宽等优点。

关键词：圆极化,宽带,高增益,轴比

参考文献

[1]商锋, 王保平.GPS圆极化微带天线的研究[J].弹箭与自导学报, 2009, 29 (3) :193-194+198.

[2]胡明春, 杜小辉, 李建新.宽带宽角圆极化贴片天线的实验研究[J].电子学报, 2002, 30 (12) :1888-1890.

Ka宽带卫星通信 第5篇

波导和同轴电缆广泛应用在微波、毫米波系统中, 这两种传输线在有些场合下需要连接使用。通常, 可采用波导—同轴转换器来实现上述两种传输线的连接, 但是这种连接方式存在多个接触面, 会导致插入损耗和电压驻波比增加, 且体积较大、可靠性下降。随着微波、毫米波技术的快速发展, 对波导—电缆转换组件提出了更高的技术要求, 要求带宽更宽, 功率容量更高。本文介绍的Ka波段大功率宽带波导—电缆转换组件 (如图1所示) 是将两个波导腔体与一根射频同轴电缆直接做匹配连接的一体化结构, 减少了转换环节, 降低了插入损耗和电压驻波比的同时, 提高了组件的可靠性。波导—电缆转换组件还具有重量轻、体积小、占用空间小、安装位置灵活、可自由扭转弯曲等特点, 特别适用于空间狭小、重量要求轻、安装位置较复杂的使用场合。

2 基本原理

矩形波导传输的主模是TE10波, 同轴电缆传输的主模是TEM波, 两者波的模式不同必然引起阻抗不连续。该波导—电缆转换组件设计时主要通过波导与同轴电缆的过渡结构实现TE10波与TEM波之间的模式转换, 利用波导阶梯阻抗变换结构实现波导与同轴电缆的阻抗匹配。

2.1 同轴探针激励耦合

探针是一种常用的效果较好的激励耦合装置[1], 可以实现TE10波与TEM波之间的模式转换。该装置具有多种不同的结构形式, 但都是为了达到拓宽带宽或增大功率容量的目的。矩形波导—同轴电缆的探针激励耦合装置的设计方法是, 将同轴电缆的外导体与矩形波导的宽边相连, 内导体伸入波导中, 形成一个激励或耦合探针, 相当于一个小天线。它把同轴电缆中的电磁能激励到矩形波导中成为TE10波, 或把TE10波耦合到同轴线中成为TEM波[2]。为了保证能量的单向传输, 可在波导中距探针l处设置一个可调短路活塞, 通过调节短路活塞与探针的距离l, 使其在单向传输和阻抗匹配方面达到最优。图2所示的是矩形波导TE10波的探针激励。

2.2 阶梯阻抗变换

阶梯阻抗变换器就是在两个特性阻抗不同的传输线之间插入一节或多节特性阻抗不相等的阶梯形均匀传输线段, 适当选取其节数、各节的长度和特性阻抗, 可实现两个特性阻抗不同的传输线间的阻抗匹配。阶梯阻抗变换器和与之同长度的渐变阻抗变换器相比具有更好的匹配性能。

1/4波长阻抗变换器是最简单的阶梯阻抗变换器, 但其只能在中心频率或其附近窄带内得到匹配, 这是因为此时其两段阶梯不连续性上产生反射波, 可以相互抵消;当工作频率偏离中心频率较大时, 其两端阶梯不连续性上产生的反射波, 不能完全抵消, 导致阻抗匹配性能变差, 无法宽带工作。为达到宽带阻抗匹配, 应采用多节阻抗变换器, 使各阶梯阻抗缓慢变化, 确保阶梯上的反射波彼此完全抵消。

切比雪夫阻抗变换器是一种较常用的多阶梯阻抗变换器。相比于其他的阻抗变换器, 切比雪夫阻抗变换器有其显著的优势:在满足工作频带和允许的最大反射系数幅值的前提下, 过渡段总长度最短;在允许的最大反射系数幅值和过渡段总长度给定的前提下, 工作频带最宽[3]。若选取阻抗变换器的节数n=3, 则变换器的总反射系数为Γ (θ) 为:

式中θ为电长度。根据反射系数的对称性, 有Γ0=Γ3, Γ1=Γ2, 因此上式可改写为:

式中e-j3θ为输入波在传输时产生的相位延迟。

式中Γn (n为变换器的节数) 为各变换节的局部反射系数。

对于切比雪夫阻抗变换器, 通过使总反射系数Γ (θ) 正比于Tn (secθmcosθ) 来综合切比雪夫等波纹的通带。对于3节切比雪夫阻抗变换器, 总反射系数Γ (θ) 为[4]:

式中θm为通带的低端, Γm为通带内最大允许的反射系数幅值, Z0为输入阻抗, ZL为输出阻抗。

将式 (5) 代入式 (4) 后, 可得

联立式 (2) 和式 (7) , 可得

由式 (8) 两边cosnθ项的系数相等, 可求得Γn (n=0, 1, 2, 3) 。

3 设计与仿真

3.1 特性阻抗设计

根据谢昆诺夫针对矩形波导提出的波导特性阻抗的定义, 可以得到矩形波导的特性阻抗:

式中k为波数, η为本征阻抗, β为传播常数, kc为截止波数, μ为磁导率, ε为介电常数, f为工作频率, a为矩形波导的宽边长度。

矩形波导TE10波在自由空间的波导波长为:

式中λ0为自由空间波长, c为真空中的光速。对于Ka波段标准口径矩形波导, a=7.11 mm, b=3.56mm, f=33~37GHz;对于空气介质, μ=μ0=4π×10-7 H/m, ε=ε0=8.854×10-12 F/m。将上述参数值代入式 (9) ~式 (14) , 可求得当f=35GHz时, k=733 m-1, η=η0=377Ω, β=585m-1, ZL=472Ω, λ0=8.57mm, λg=10.74mm。本设计选用的电缆是外径为4mm的毫米波射频同轴电缆, 其特性阻抗Z0=50Ω。

矩形波导的内凸脊相当于在矩形波导中加载一电容, 这个位置的电场非常集中, 所以探针更容易在此处实现激励与耦合, 并且还具有宽带特性[5,6,7,8]。由波导宽边伸入波导中的探针, 与对面的内凸脊相连, 可提高散热速度和避免大气击穿, 从而实现较大功率的能量传输。鉴于阶梯阻抗变换具有的宽频带、小尺寸、较好匹配性能等特点, 本设计采用图3所示的探针连接脊阶梯的结构, 实现矩形波导与同轴电缆两种不同传输系统的转接。

从组件的电压驻波比 (VSWR) 、带宽和波导阶梯过渡段的总长度这三个方面综合考虑, 本文设计的切比雪夫阶梯阻抗变换器的节数n=3, 通带内最大允许的反射系数幅值Γm=0.05。将Γm=0.05、Z0=50Ω、ZL=472Ω代入式 (6) , 求得

由式 (8) 等式两边cos nθ项的系数相等, 得到如下结果:对于cos3θ项, ;对于cosθ项, 。根据对称性, 可得Γ3=Γ0=0.176 3, Γ2=Γ1=0.385 1。由式 (3) 可得

将n=0、1、2分别代入式 (15) , 即可计算得到Z1=71.14Ω, Z2=153.67Ω, Z3=331.96Ω。

3.2 仿真设计

根据1/4波长阻抗变换器, 每节脊阶梯的初始长度取1/4波导波长 (即λg/4) 。脊阶梯的初始宽度参考标准矩形单脊波导24JD18000的脊宽。根据求得的各变换节的特性阻抗, 借助于高频电磁场仿真软件HFSS, 可以确定每节脊阶梯的初始高度。在此初始尺寸的基础上, 利用HFSS对该结构进行仿真计算和优化, 确定脊阶梯的最佳脊宽以及每节脊阶梯的最佳高度和最佳长度, 以最大限度地减小反射。

在HFSS软件环境下建立波导—电缆转换组件一端的模型, 如图4所示。通过反复的仿真计算和优化, 使波导—电缆转换端达到较优的匹配, 得到一组最佳尺寸, 对应的VSWR曲线如图5所示, 在工作频段内VSWR小于1.07。因为组件为两端口对称结构, 所以组件的VSWR是其两端波导—电缆转换端VSWR的叠加, 约为1.15。

3.3 功率设计

功率是该波导—电缆转换组件的一项重要考核指标。在HFSS里设置波导端口的输入功率为70W, 经仿真计算可得到组件的电场强度。组件为两端口对称结构, 其两端口的电场强度相同, 因此功率容量设计时仅考核一端电场强度即可。一般安全电场为空气击穿场强的1/3, 即1.0×106 V/m。图6给出的是仿真得到的波导—电缆转换组件一端的电场强度分布, 可见, 与探针相连接的第一节台阶附近场强最高, 约为3.29×105 V/m, 远小于安全电场, 可以认为组件加载70 W功率是安全的。

4 测试结果

根据仿真优化得到的最佳尺寸, 设计加工零件并制作了长度为350 mm的波导—电缆转换组件, 其实物照片如图7所示。使用Agilent N5230C矢量网络分析仪对该组件进行测试, 测试结果如图8所示, 组件VSWR小于1.2, 插入损耗小于1.2dB。VSWR实测结果大于仿真结果, 主要是因为工艺条件和加工装配误差造成, 如能改进工艺、减小误差, 便可进一步提高组件的VSWR, 使之更接近于仿真结果。对组件加载70 W平均功率后, 未见异常现象。试验后, 对该组件进行了复测, 其电性能与试验前基本一致。可以表明, 该组件完全可承受70 W的平均功率, 同时验证了HFSS对电场强度仿真的有效性。

5 结论

本文介绍了一种Ka波段大功率宽带波导—电缆转换组件, 采用探针连接脊阶梯的结构来实现同轴线TEM波与矩形波导TE10波两种不同模式的转换, 较好地改善了阻抗匹配效果, 并达到了拓宽带宽和增大功率容量的目的。该组件不用设置调谐螺钉, 结构简单可靠, 宽频带、大功率、小驻波和低损耗等优异性能可同时满足不同用户的需求, 作为货架产品可供用户直接选用, 无须再重新设计加工, 大大地缩短了供货周期, 具有较好的工程应用前景。

参考文献

[1]COLLIN R E.微波工程基础[M].北京:人民邮电出版社, 1981.

[2]黄志洵, 王晓金.微波传输线理论与实用技术[M].北京:科学出版社, 1996.

[3]闫润卿, 李英惠.微波技术基础[M].3版.北京:北京理工大学出版社, 2004.

[4]POZAR D M.微波工程[M].3版.北京:电子工业出版社, 2006.

[5]陈建民, 冯志成.一种实用的8mm-band波导—电缆—波导连接器[J].无线电工程, 1989 (2) :37-43.

[6]周焱, 苏东林.周期性结构在毫米波波导同轴转换中的应用[J].北京航空航天大学学报, 2006, 32 (4) :412-416.

[7]吴万春, 梁昌洪.微波网络及其应用[M].北京:国防工业出版社, 1980.

Ka宽频带卫星通信馈源系统 第6篇

目前,多数商用卫星固定业务使用C波段(4/6 GHz)和Ku波段(12/14 GHz)。随着卫星通信业务种类日益繁多,经过缩小轨位间距、采用正交极化复用和空间复用等手段充分开发后的C和Ku频段,频道资源愈来愈拥挤且日渐饱和。70年代,国外一些空间研究机构就开始致力于新一代大容量卫星通信系统的研制。

就使用带宽而言,Ka频段远大于C、Ku频段,因此是的新一代大容量卫星通信系统的首选频段。经过20多年的研究与试验,国外Ka频段卫星通信系统已进入实用化阶段。近年,我国也正在开展Ka频段卫星通信系统的研制。本文介绍了我单位新研制的一种Ka宽频带卫星通信馈源系统,其收发频带分别为19.2～21.2 GHz,29.0～31.0 GHz,接收频带及发射频带内回波损失小于-20 dB,轴比小于0.5 dB。

2 系统方案

Ka宽频带卫星通信馈源系统由波纹喇叭、同轴滤波器、分波器、发射频段隔板移相器及接收频段90°电桥与多弯波导组成。馈源系统原理图及外形图分别如图1,图2所示。

由原理图可知,馈源系统收发频段信号由同轴滤波器分开,同轴滤波器通带为接收频段,对发射信号有几十分贝的抑制。发射信号经隔板移相器、方圆过渡从同轴内导体中间的圆波导进入分波部分,由于滤波器的抑制不能进入同轴线及与之相接的接收通路,通过喇叭辐射出去。

接收信号波长大于圆波导截止波长,不能从同轴内导体中间的圆波导传输,因此只能从外侧同轴滤波器中通过,由分波器正交耦合及合成两路信号。

接收圆极化器信号时,这两路信号幅度相等,相位差为90°。再由90°电桥将两路信号合成到电桥的输出端口1或输出端口2,即馈源系统的两个接收端口。

3 关键件设计

同轴滤波器与分波器实现收发信号的分离,对发射频带信号有80 dB的抑制度,接收频带回波损失小于-25 dB。通过选取合适的圆波导口径使发射频段TE10可以传输,考虑加工的因素,以此确定同轴内导体直径。由于同轴外导体与馈源喇叭口部圆波导口径是一样的,要保证接收频段信号在口部圆波导的主模传输,同时也要保证同轴线中接收信号以TE11模的形式传输,通过这几个条件综合考虑可选定同轴外导体的直径。同轴线中TE11模传输的条件为:

undefined

式中:a,b分别为同轴内外导体半径。

极化正交的线极化接收信号经过同轴滤波器进入分波器,被短路面截止后从侧臂四个对称的耦合孔耦合,经外围波导及魔T合成,生成正交的输出信号。

接收频段的圆极化器选用90°电桥,因为分波器正交耦合出来的两路接收信号,如采用波纹波导移相器、隔板式移相器实现圆极化须先将两路信号合成,结构复杂。而电桥输入、输出均为两端口结构,可直接通过两根多弯波导与分波器相接,结构简单。

90°电桥由两个并列放置的波导管通过窄壁长为L的耦合区相连通构成。通过耦合部分切窄防止TE30模的影响,采用多级阶梯过渡匹配波导的不连续性,可实现很好的电性能。

接收频段的轴比性能,主要由90°电桥决定。经CST Studio仿真,90°电桥两端口幅度相差0.2 dB,相位差89.8°～91.5°即相位误差不大于1.5°,回波损失优于-25 dB。由式(2)可得,系统接收频段轴比(AR:单位 dB)优于0.31 dB。

undefined

式中:Ae为幅度误差,单位:dB;φc为相位误差,单位:(°)。

与90°电桥连接的两根多弯连接波导形状复杂,相对电长度不一致将严重影响馈源系统接收频段的圆极化轴比性能。在接收频段所用R220波导中,接收频段中心频率20.2 GHz时的波导波长20.66 mm,如长度误差0.1 mm,则有1.74°的相位差,此相移与90°电桥相位误差相加,则最坏的情况是两路正交信号相差4.2°,由式(2)可知此时的接收频段轴比变为0.67 dB,考虑弯波导相移与相互抵消的情况,实际加工时两根波导长度差0.2 mm是可接受的。但对于连续多弯波导,达到这样的要求是有难度的,加工时须有专门的工艺及工装。

发射频段圆极化轴比是Ka宽频带卫星通信馈源系统另一个关键指标,它直接决定系统发射频带交叉极化隔离度的大小。在Ka频段,由于波导口径小,螺钉伸入波导内部的长度较短,调试困难,很难实现很好的性能。

方波导波纹移相器带宽很宽,轴比及回波损失都很好,可实现很好的电气性能。要实现极化复用须与正交模耦合器及方圆过渡或45°扭波导一起使用,结构较复杂。

隔板式移相器本身即两端口结构,可同时实现圆极化器和正交模耦合器的功能,结构简单,长度短,电气性能也很好。设计了一种隔板移相器,经CST Studio仿真,在29.0～31.0 GHz的发射频带内,移相器输出口TE10模与TE01模相位差89.7°～90.7°,即相位误差最大0.7°,幅度相差0.04 dB,由式(2)可得,馈源系统发射频段轴比小于0.12 dB。两个极化方向回波损失均小于-27 dB。

4 实测结果

用HP8722ES矢量网络分析仪在暗室实测Ka宽频段卫星通信馈源系统方向图E、H面等化很好,如图3所示为接收频段20.2 GHz馈源方向图。

馈源系统各端口回波损失、轴比、端口隔离及插入损耗等关键指标测试结果如图4～图6所示。

图6为在初始位置测试系统定标后,线极化发射喇叭在-22.5°～202.5°范围内每隔22.5°旋转一次,馈源系统接收端口1接收信号曲线,其包络即系统该端口轴比。

限于篇幅,不能将各实测曲线一一列出,馈源系统详细指标如表1所示。插损为去除波纹喇叭后馈源系统测试插入损耗。

5 结 语

本文介绍了一种新研制的Ka频段宽带双圆极化四端口卫星通信馈源系统,具有很好的电气性能,实测辐射方向图等化很好,接收及发射频带轴比小于0.5 dB,回波损失小于-21 dB,端口隔离大于19 dB等,馈源系统整体电气指标已达到国际先进水平。

摘要：作为下一代Ka频段卫星通信系统的关键天馈设备,新研制了一种高性能Ka宽频带卫星通信地球站四端口圆极化馈源系统,文章介绍了该馈源系统的方案特点及关键部件的选取原则,并给出实测结果。测试结果表明馈源系统在19.221.2 GHz的接收频带、29.031.0 GHz的发射频带内具有优良的性能,轴比小于0.5 dB、回波损失小于-21 dB,整体技术指标达到了国际先进水平。

关键词：Ka频段,圆极化,轴比,同轴滤波器,隔板移相器

参考文献

[1]Zhang H Z.Circular Coaxial Orthogonal-Mode-JunctionCoupler andits Application[J].IEE Proc-Microwaves,An-tennas and Propagation,2000,2:25-30.

[2]Kirilenko A A,Kulik D Yu,Rud L A,et al.Compact SeptumPolarizers with a Circular Output Waveguide[J].MSMW′04 Symposium Proceeding,2004,2:686-688.

[3]Bornemann J,Amari S,Uher J,et al.Analysis and Design ofCircular Ridged Waveguide Componments[J].IRE Trans.Microwave Theory Tech.,1999,MTT-47,(3):330-335.

[4]Esteban J,Rebollar J M.Field Theory CAD of SeptumOMT-Polarizers[J].AP-S,1992,4:2146-2149.

[5]Louis T Hildebrand.Results for a Si mple Compact Narrow-Wall Directional Coupler[J].IEEE Microwave and GuidedWave Letters,2000,10(6):231-232.

[6]Hendrick L W,Levy R.Design of Waveguide Narrow-WallShort-Slot Couplers[J].IRE Trans.Microwave TheoryTech.2000,MTT-48(10):1 771-1 774.

[7]Park B M,Ramunujam P,Boldissar F,et al.Sensitivity A-nalysis of Square Waveguide Iris Polarizers[J].AP-S,1994,2:1 058-1 061.

[8]Natarov M P,Rud L A,Tkachenko VI.Orthomode Trans-ducer for MM-Wave Range[J].MSMW′04 SymposiumPro-ceeding,2004,2:641-643.

[9]Fathy A E,Napoli L S,Denlinger E,et al.A Novel PlanarPolarizer Feed Network for Dual Circular Polarization[J].AP-S,2001,3:412-415.

[10]廖承恩.微波技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社,1993.

Ka宽带卫星通信 第7篇

1 Ka频段卫星通信系统特点

Ka频段卫星是当前比较先进的卫星系统, 能够对DVB/IP进行支持, 从而实现卫星电视与高速网络之间的相互结合, 为用户提出更加直接的宽带与窄带业务, 具有很多应用优势。但与此同时, Ka频段卫星通信系统也有一些不足之处, 因为频率相对较高, 会造成其降雨衰减较大, 与传统的C频段与Ku频段相比, Ka频段会受到更大的噪声、去极化以及雨衰等因素的影响, 且对相关器件与工艺的要求也相对较高[1]。

在运用Ka频段卫星进行通信的过程中, 大气层中含有的水汽、氧气等因素会使得卫星信号产生正常耗损以外的衰减, 如果这些问题产生作用, 就会对信号的幅度、极化等方面造成变化, 进而使信号的错误率提升, 影响信号质量。

运用Ka频段进行卫星通信的过程中, 需要解决以下3方面的问题: (1) 解决信号雨衰; (2) 研制相应的星上处理器; (3) 确保数据不发生过度延迟。而在降雨环境下, 雨衰与信道编码会对Ka频段卫星信号系统的性能产生影响。

2 降雨环境下雨衰对系统的影响

2.1 雨衰影响

在降雨环境下, 电波如果通过降雨区域, 会被雨区中的水滴散射与吸收, 从而使电波产生衰减。在这个过程中, 雨滴的大小与波长会在很大程度上对雨衰值产生影响, 而降雨率则是影响雨滴大小的主要因素。因影响雨滴模型的因素较多, 世界各地各不相同, 因此, 雨衰值在估算过程中也会受到很多因素的制约, 工作内容十分复杂。

相较于C频段, Ku与Ka频段中的雨衰主要会对卫星电视广播产生很大程度上的影响。根据实际调查, Ka频段在很短的时间内, 其衰减数值非常高, 这种衰减会造成广播线路暂时性的中断, 所以, 在对Ka频段进行设计的过程中, 需要对雨衰影响进行优先考虑。

2.2 雨衰特性

从Ka频段中雨衰预测与雨衰等值等相关数据中, 可以分析出我国雨衰的相关特性, 具体有以下3个主要方面。

2.2.1 降雨强度影响

降雨的强度是对雨衰值产生影响的最主要因素, 我国幅员辽阔, 气候多样, 每一个气候区中的降雨强度都有所不同, 因此, 雨衰值根据地域的不同, 有着鲜明的地域分布, 由此可见, 降雨强度对雨衰值的作用不容忽视。

2.2.2 地球站天线仰角影响

在地球站中, 其天线的仰角在很大程度上左右着电波斜路径长度, 决定天线仰角的因素主要有卫星位置与地球站位置两方面。对雨衰来说, 卫星仰角的影响主要体现在以下2方面: (1) 如果地球站海拔高度大体相同, 则仰角与斜路径长度呈现反比例关系, 即仰角越大, 斜路径长度越短, 从而导致雨衰减小;仰角越大, 斜路径长度越长, 雨衰增大[2]。 (2) 如果地球站经纬度大体相同, 则仰角与斜路径长度呈现正比例关系, 即仰角越大, 斜路径长度越长, 雨衰增大;仰角越小, 斜路径长度越短, 雨衰减小。

2.2.3 频率影响

该影响主要出现在ITU-R预报模式中, 在该模式下, 频率与雨衰值呈现正比例关系。其原因在于频率的不断增高使其与雨滴的大小愈加接近, 在很大程度上提升了雨滴吸收与散射电磁波的程度, 从而使降雨衰减增大。

2.3 补偿方法

当前, 主要的雨衰减补偿方法有以下几种:

(1) 位置分集。雨衰较大的地区主要存在于天线仰角低或降雨较多的地方, 而空间分集是相对有效的补偿方法。这种方法通过在特定位置设置地球站的方式, 将雨衰较大的地区切换到雨衰较小的地球站完成通信。

(2) 频率分集。由上文可知, 频率与雨衰值呈现正比例关系, 而频率分集便是利用这一特点进行数据传输的, 运用高波段实现绝大多数业务的传输, 低频段则进行辅助传输, 解决受雨衰影响且在一定门限之上的链路。

(3) UPC。该方式主要通过上层链路的雨衰情况对地球站发生电平进行有针对性的调整, 从而降低降雨所消耗的电波信号, 确保卫星转发器所接收到的信号与晴天时大致相同[3]。从当前情况来看, UPC是现阶段最为经济的抗雨衰方式。

(4) 自适应编码。在该系统中, 信号发射装置主要由信道编码器与速率调节器两部分构成, 需要注意的是, 这2部分都是可调的[4]。通过该技术, 能够在很大程度上改善Ka频段卫星通信系统在降雨环境下所产生的链路性能恶化。

3 降雨环境下信道编码对系统的影响

在Ka频段进行数字信号传输的过程中, 会因为信道传输不好或雨衰等因素的影响, 使其受到的信号发生错误。为了提升其通信可靠性, 最大程度上降低信道中产生的干扰和噪声, 需要以一定的规律为基础, 在将要发送的信息中适当的加入一些监督码元, 在接收过程中, 可以通过这些监督码元之间存在的规律, 对信号传输中的差错进行及时有效的发现与纠正, 从而达到提升信息传输的可靠性的目的[5]。

对于数字通信系统来说, 其编码技术主要有信源与信道两种编码技术, 其中, 前者能够提升信息传输过程中的有效性, 而后者能够提升信息传输过程中的可靠性。信道编码有被称为差错控制编码, 能够通过一定规律, 在一定程度上提升信号冗余度, 从而让信号具备一些错误检测与纠正能力。当前主要的信道编码技术有以下3种。

3.1 检错重发

接收端在接收信号的过程中, 一旦检测出信号码元中存在错误码, 就会对发送端发出信号, 让其重新发送, 直到准确接收为止。而对出错码的检测, 主要指的是已经明确在所有的接收码元中, 存在若干个错误码元, 但其具体位置无法确定。需要注意的是, 运用这种方法需要具有双向信道, 接收端与发送端都能够得到消息。

3.2 向前纠错

信号接收端不仅需要及时发现接收信码中的错误码, 还需要对错误码进行及时纠正。在二进制系统中, 一旦确定了错误码的位置, 就可以对其进行纠正。该方法与检错重发法不同, 不需要具备反向信道, 也避免了重复发送所造成的时间延误, 具有很好的实时性。但其缺点在于设备相对复杂。

3.3 反馈校验

在接收到信号以后, 还要将信码重新返回发送端进行校验, 比较源信码, 如果在这个过程中发现差异, 则需要重新发送[6]。该方法无论从原理方面看, 还是从设备方面看, 都相对简单, 但与检错重发法一样, 都需要具有双向信道。由于该方法每一个信码都需要进行2次传送, 因此与向前纠错法相比, 传输效率相对较低。

无论哪一种信道上, 都会不同程度上存在各种各样的干扰, 这些干扰会使信号在传输中出现误码, 进而影响数字卫星通信系统的性能, 想要对这些误码进行检测与纠正, 就需要运用信道编码。在Ka频段信道中, 不仅存在加性干扰, 还存在乘性干扰, 前者是通过白噪声引起的, 后者是通过衰落引起的[7]。白噪声会使传输信号产生随机性错误, 衰落会使传输信号产生突发性错误。所以在Ka频段系统中, 通过信道编码对传输信号进行差错控制是很有必要的。

4 结语

随着卫星通信技术的广泛应用, 卫星通信信道也越来越拥挤, Ka频段是一种频率较高的频段, 是卫星通信系统未来发展过程中的必经之路。雨衰与信道编码都会在一定程度上对Ka频段卫星通信系统性能产生影响, 值得进行更加深入的研究。

参考文献

[1]赵欣, 战兴群, 李社军, 等.全球导航卫星系统脆弱性计算机仿真环境设计及其评估方法实现[J].计算机测量与控制, 2014 (9) .

[2]于淼, 康健.Ka频段卫星通信系统雨衰混合补偿算法[J].吉林大学学报:信息科学版, 2015 (1) .

[3]李峰, 冯晓雯, 叶淦华, 等.Ka/EHF频段卫星信道传输特性研究[J].无线电通信技术, 2010 (1) .

[4]王欣, 王可人, 金虎, 等.基于Ka频段的数字卫星广播系统建模仿真[J].计算机工程, 2010 (13) .

[5]王艳岭, 达新宇.Ka频段卫星通信分集和自适应抗雨衰技术[J].电讯技术, 2010 (9) .

[6]高化猛, 李智.一种Ka频段海上卫星通信抗雨衰编码方案[J].舰船科学技术, 2011 (12) .

Ka宽带卫星通信 第8篇

经过十几年的研究和商用试验, 自2010年~2012年, Ka频段已经步入商业稳定运营阶段, 目前世界大多数卫星宽带运营商如美国休斯公司、卫讯公司, 欧洲通信卫星公司等都采用Ka频段点波束转发器提供卫星宽带服务。Ka频段卫星通信已经步入快速发展期, 根据预测, 到2015年Ka频段卫星通信将会占整个卫星通信的90%以上, 在轨Ka频段卫星将达1Tbps的带宽容量。

电波传播特性是卫星通信系统进行系统设计和线路设计时必须考虑的基本特性, Ka频段卫星通信受气象因素的影响更加显著。因此分析Ka频段卫星通信信道的电波传播特性, 特别是降雨对卫星通信性能的影响对推广应用Ka频段卫星通信有着重要的意义。本文首先全面分析了由于雨衰引起的Ka频段卫星信道衰减、噪声温度上升和信号失真现象, 然后针对各种对信号的影响因素给出改进建议。

2 Ka频段卫星通信的信道特性

当电波穿过降雨的区域时, 雨水不仅吸收电渡能量, 而且对电波产生散射, 对接收系统而言产生噪声温度的上升, 同时对电波存在去极化效应, 一般统称称这些衰减和干扰为雨衰。

2.1 雨衰的预测与计算

关于雨衰的预测与技术国际上几种较为成熟的计算方法, 如ITU-R, Lin, SAM, Crane, Bothias等。其中, ITU-R降雨衰减预测模型, 由于它具有使用简便、输入参数较少、计算精度较高、应用范围比较广泛等特点而被国际上广为应用。它的计算方法如下:

1) 计算超过年平均时间0.01%的降雨衰减值A0.01, 由式 (1) 求出。

其中, γR为降雨衰减率。它与地面降雨率R0.01的对应关系, 如式 (2) 所示:

其中, k、α为与频率、极化方式、雨滴尺寸、雨水介电常数有关的系数, 可由式 (3) 、式 (4) 求出:

其中, αH、kH和k V、αV分别对应于电波的水平极化和垂直极化分量, 其具体参数值见文献[1,2]。θ为接收天线仰角, τ为接收点电波的极化角, 以线极化波为例 (τ=90°) 。

图1为地—空斜路径降雨衰减计算示意图, L S为穿过雨区电波传播的斜路径长度 (km) , h R为等效雨高, h S为地球站的平均海拔高度, γ0.01为路径缩短因子, φ为地球站的纬度, 它们分别由式 (5) ~ (7) 求出。

其中, L 0=35exp (-0.015R0.01) (km)

2) 由0.01%的降雨衰减值A0.01, 计算在时间范围0.001%~1%内任意时间百分数的衰减值:

2.2 降雨对系统噪声的影响

在没有雨衰时, 对接收系统而言, 噪声温度没有增加, 噪声温度只和空间传输的衰减量有关。在卫星通信下行链路中, 雨点下落穿过天线波束时, 它们各向同性辐射的部分能量将会被接收机检测到, 引起接收系统噪声温度和噪声功率的增加。噪声温度的增加直接影响到接收系统的G/T值, 在链路计算时必须考虑其影响[3]。

降雨吸收引起的衰减, 可等效为图2所示的有损二端口网络。1端口为输入端口, 2端口为输出端口, 1, 2两端口等效阻抗都匹配。A P (>1) 为网络损耗, 这里定义为一般年平均P (%) 时间的降雨衰减量;Tα为系统周围温度, 这里为雨点温度, 通常为270~290K;为输出端的等效噪声温度。带宽为B时, 1端口匹配阻抗源引人的噪声功率为k TαB, 则2端口辐射的噪声功率为:

又因为2端口与温度为Tα的阻抗源匹配, 因此, 2端口的噪声功率可表达为:

综合式 (9) 、式 (10) 可得输出端的等效噪声温度为:

假设天线的藕合系数为100%, 则TP即为年平均P (%) 时间降雨吸收引起的噪声温度增量。那么降雨条件下系统总噪声温度为:

式中:T s为晴天时天线馈源端测得的系统噪声温度。因此, 年平均P (%) 时间降雨引人的噪声功率增量为:

降雨引入的品质因数减少量为:

式中:G为馈源端测得的天线增益值。可见, 降雨引起的品质因数减少量与噪声功率增加量相等。

2.3 去极化现象

卫星通信电磁波在传输过程, 由于传输介质的各向异性, 将会改变发送波形的极化方式。从发射极化中产生一个正交分量, 这种效果被称为去极化。常用的量化极化干扰效应的方法为交叉极化鉴别 (XPD) 。以下对电磁波传输过程中分别产生的电离层去极化、冰凌去极化和雨水去极化逐一进行分析[4]。

1) 电离层去极化

电磁波穿越电离层时加速了电离层中自由电子的运动, 受地球磁场的影响, 电子运动的方向不再与电磁波的电场方向平行, 并且反作用于电磁波, 其净效应就是使极化改变。极化的角度变化 (法拉第旋转) 与电离层厚底、地球磁场在电离区域的大小以及该区域的电子密度有关。

若法拉第旋转为θF, 接收信号的共极分量 (有效分量) ECO=EcosθF, 此时接收功率与E2成正比。极化损耗为:

同时交叉分量为EX=EsinθF, 故有:

一般当4GHz时, 引用的法拉第旋转最大值为9°, 6GHz时为4°, 法拉第旋转与频率的平方成反比, 当频率大于10GHz时, 可以不予考虑, 因此Ka频段卫星通信更是如此。

2) 冰凌去极化

冰凌层位于大气中雨层上方, 经验表明, 冰凌层去极化的主要原因是差分相移, 与差分衰减的关系不是很大 (相比于水而言, 冰室良好的绝缘体, 因此损耗小很多) 。冰凌的形状一般呈针状或是盘状, 如果各向同性则会产生一定的去极化效应。CCIR (国际无线电咨询委员会) 建议在考虑冰凌去极化是, 可在计算雨水效应的时候加上一个固定XPD值。这个固定值在北美地区推荐为2d B, 而在海上则是4到5d B, 同时CCIR还进一步建议当时间百分比低于0.1%的时候可以忽略冰凌去极化效应。

3) 雨水去极化

理想的雨水形状是球形, 但是考虑到到空气阻力等因素雨滴的形状多半为扁球形并且会有一些倾斜, 倾斜角度是随机产生的。以线性极化波为例, 由于雨滴形状造成的各向异性, 电磁波在水平和垂直两个方向上的衰减和相位变化是不同的, 称之为“差分衰减”和“差分相移”。事实表明, 电磁波进出雨层由差分相移引起的去极化效应比由差分衰减引起的去极化效应更为明显。

根据《CCIR Report 564-2, 1982》与雨水相关的交叉极化鉴别可由下列经验公式得到一个近似值:

其中:A是雨水衰减可由2.1节中的描述求得, U和V是经验系数由CCIR参考提供, 分别由以下公式得到。

其中f是频率 (单位为GHz) , θ是地面卫星站传播路径的仰角, τ是与水平方向相对的极化倾斜角度。

3 降低雨衰影响的措施

为了保障通信的可靠性、连续性, 降低雨衰对Ka频段卫星通信的影响, 首先应准确得到某一特定区域的降雨衰减。通常的做法是:借助特定 (通信接入点) 区域的长期连续降雨实测数据 (如连续多年的每分钟降雨率) , 获取该区域精确的降雨统计特性, 计算该区域的降雨衰减。通过迭代, 补充完善降雨统计特性, 以获取该区域在各种条件下降雨衰减的真实情况。

在获得比较准确的降雨衰减统计特性的前提下, 可以分别从以下几个方面采取相应的抗雨衰策略。

3.1 卫星链路设计方面

增加链路增益的备余量是传统卫星通信链路设计中常用的方法, 如C频段卫星通信链路通常留3d B余量, Ku频段卫星通信链路通常留6d B余量。Ka频段卫星系统也可采用相同的方法, 在降雨较少的地区 (如沙漠地区) , 完全可通过链路余量来满足系统可用度要求;在高降雨地区, 雨衰带来的通信影响也能得到一定的改善。如:工作于Ka频段的美国ACTS卫星通信系统, 系统设计上星上具有8db下行链路功率余量, 地面站具有18db上行余量功率余量。

3.2 功率控制技术方面

对于Ka频段的卫星通信系统, 建议在地球站设置上行链路自适应功率控制 (AUPC) , 或者进一步采用以网络管理为基础的全网自动功率控制 (APC) 或动态功率控制 (DPC) 系统, 才能有效地对抗降雨衰耗的影响, 同时也能使卫星通信系统的稳定性和可靠性大大提高, 很大程度地节约卫星通信的资源。

3.3 编码及自动速率技术方面

Ka频段卫星通信在雨衰较大时, 可以采用前向纠错编码技术 (FEC) 来减小传输的误码率。通过减小编码率来获得编码增益的提高, 如:编码率为1/2的卷积码, 当采用维特比译码时, 其编码增益可达5d B。此外, 还可以通过自适应速率降低技术 (ARP) 来克服雨衰的影响, 通过减少衰减信道的数据速率来增加信道容量, 降低速率所带来的增益与速率减少成正比, 例如速率减少至1/4时, 增益为5d B。使用纠错编码和降速率技术。可以补偿不同程度的雨衰;但随着深度的增加, 有效可用容量减少。

美国的ACTS卫星通信系统在设计上具有3db卷积码的编码增益, 以及来自于自动数据率调整对应的6db增益, 考虑到上下行双向信道, ACTS在抗雨衰方面将带来15d B的系统增益余量。

3.4 系统工程技术方面

Ka频段卫星通信还可以利用系统工程技术方面的措施改善雨衰对通信的影响, 例如空间分集技术:在多雨或卫星仰角很低的地区, 基于降雨的空间分布不均匀性, 在相隔一定距离的两个地点设置地球站, 通过两个地球站进行信号的分集接收, 可以从分集改善因子和分集增益两个指标来衡量分集改善的通信质量。

另外, 合理选择地面站的地理位置也能很大程度上改善雨衰影响, 据国内相关资料显示在相同地理位置及降雨条件下, 由于海拔高度相差较大, 如:银川与贺兰的经纬度分别相差0.50°和0.22°, 但等效降雨高度 (银川为2702m, 贺兰为912m) 相差近1 00m, 进而导致其最终的降雨衰减相差9d B左右[5]。

4 结束语

目前国外Ka频段卫星通信基本处于商用阶段, 我国Ka频段卫星通信的建设相对起步较晚, 虽然在Ka频段雨衰分析方法、雨衰影响模型、抗雨衰编码方案的研究水平较高, 但在工程应用上尚处于起步阶段, 需要加大技术研究力度。通过借鉴国外成熟的抗雨衰技术, 综合利用链路余量、上行链路自适应功率控制、信道编码、信息速率自适应调整等技术, 能够很大程度改善并解决Ka频段卫星可用度较低的问题, 充分发挥Ka频段卫星通信设备尺寸小、便于携带等优点, 实现现代社会“无处不在”、“随时随地”的宽带通信要求。

摘要：Ka频段卫星通信中, 降雨引起的信号衰减对通信链路的通断起着非常重要的作用。本文详尽分析了Ka频段卫星通信信道的电波传播特性, 重点分析了降雨对卫星通信的影响, 并提出了Ka频段抗雨衰的各种对策。

参考文献

[1]ITU Geneva.Propagation Data and Prediction Methods Required for the Design of Earth Space Telecommunications Systems[S].ITU Recommendations, 1995, PN.618一3.

[2]ITU Geneva.Attenuation by Atmospheric Gases in the Frequency Range 1-350 GHz[S].ITU Recommendations, 1995, PN.676一1.

[3]范骏, 徐慨, 黄麟舒.下行链路雨衰对卫星地面接收系统噪声温度和噪声功率的影响[J].电子测量技术, 2007 (3) :172-174.

[4] (加) Dennis Roddy著.郑宝玉等译.卫星通信[M].北京:机械工业出版社, 2011.

[5]康健, 王宇飞.中国Ka波段卫星通信线路的雨衰分布特性[J].通信学报, 2006 (8) :78-81.

[6]Loo C.Statistical Models for Land Mobile and Fixed Satellite Communinication at Ka Band.IEEE 46th Veh Technol conf, 1996:1023-1027.