多点波束天线卫星 (中英翻译)

多点波束卫星天线

09级无线通信一班

冯贺威

20091526109

摘要：ka波段有效载荷在卫星通信的使用中越来越流行。在ka波段中较宽的波段宽度可以更好地满足不断增长的需求能力。除了使用更多的资源, 更有效地利用可用的资源将成为卫星服务成功发展的关键。现代天线的概念允许一个高频率方案的重复使用, 卫星通信中最稀有的资源的有效利用，和波段频率的加宽。在本文中,我们描述了不同类型的这种天线的设计和使用。

关键词：多点波束天线每束单馈每束多馈

1.介绍

2010年12月, 欧洲前两个ka波段多点波束卫星被发射，分别是阿凡提的Hylas-1和Eutelsat的 Ka-Sat。这两个卫星都是欧洲卫星制造商阿斯特里姆公司制造，完全运行在轨道上。虽然大多数ku波段卫星为广播提供了大范围的覆盖, 但是使用ka波段频率的快速宽带卫星服务有更多的利益。典型的应用是个人通信、高速网络、军事通信和移动通信服务。服务区域已经被多至100个区域覆盖。重叠的高增益点波束支持双向(上行和下行)使用小型终端的宽带服务。这种方法允许高度的频率的重复使用,从而导致系统容量的大量增加。覆盖在欧洲的一个多点波束卫星可以提供相同输入功率，类似天线尺寸的普通卫星的10倍容量以上。

对于拥有交叉点的多点波束卫星的创造, 天线系统是一个关键组成部分。可能有两个基本原则。每束但馈(SFB)设计使用一种饲料角为每个点。优点是硬件简单和更好的电气性能,但是孔数目的增长导致了大的费用。为了提供交叉点,在这种情况下多个反射孔是必需的，一般是四个。通常,也可以创建一个四色场景仅使用三个反射镜。另外设计使用一个超大形反射器[1],被动或主动[2][3]的镜头都是很可能的。每束多馈(“MFB)设计使用小型子数组为每个点。相邻点分享一些排列元素。在这种情况下,重叠的排列饲料被创建,它允许使用单一反射孔产生重叠点。排列的元素由形成网络的一个复杂正交波束送入。

在本文中,我们将讨论这两个方面,现在的设计和比较模拟和实测性能数据。多达100个独立重叠点的天线也需要一个新的测试理念。因此,我们也为多点波束天线提供设备和新的有效的测试方法。

2.多点波束方案

为了达到了高度的频率重复使用,目标覆盖率是不再由一个大的单光束覆盖,而是通过大量重叠高增益点波束。图1显示了一个使用四色频率复用方案来广泛覆盖欧洲的原则。这意味着使用了两个不同的低频子带和两个正交性ona极性(通常的右手和左手的循环)。不同的颜色的点有不同频率和极性。因此,在不相互干扰的情况下他们可以传递不同的信息。相同的颜色的点使用相同的频率和相同的极性,但是在在空间上他们是彼此隔绝,相邻的两个点颜色没有相同的。在这种情况下，相同颜色的点可以传递不同的信息。在大多数情况下,四色场景在系统容量和性能上是最佳方案,然而，还有其他的频率重复使用方案，例如，三色或者七色方案也可以使用。

相比一个标准的大轮廓波束天线,一个多点波束天线的频率重复使用是颜色的数目除以点的数目。例如,一个80点波束的欧洲四色方案有二十个频率重复使用因素。由于重叠的梁和其他技术约束这个因素降低到大约12。然而,这意味着一个八十点波束卫星可以提供一个大轮廓卫星十二倍的容量,因此可以实现一个高十二倍的销售潜力。在不增加射频或直流电源,不大量增加卫星成本，或者轻微增加卫星成本的情况下，实现了这个卫星容量的增加。

越来越多的通信卫星使用ka波段。这个Ka传输波段(从卫星的角度或下行频段)大约是20 GHz，接收波段(上行乐队)大约事30 GHz。现代ka波段多点束卫星将能够为拥有不发达的地面基础设施的区域提供宽带服务。

3.单波束天线单馈

单波束天线单馈是多点波束天线的当前状态。每束有一个单一的角创造。为了避开覆盖照明区的孔,重叠点波束是必需的。这可以通过使用一个超大形反射器,被动的或活动镜头来实现。目前最流行的原则是使用四个标准未成形的反射器天线,一个一种颜色来建立虚拟的重叠点。图2演示了原则。每个反射孔径创建一个单一颜色的非重叠点。四个天线都这样指向就可以实现有重叠点的四色方案。严格来说需要八个反射镜,四个传输(Tx)和四个接收(Rx)。如果用复杂的Tx / Rx饲料链，这就可以避免。因为当选择反射镜的直径作为发射频率时，作为接受频率它是太大。因此，一个聪明的号角形电器的设计是必需的，以提供一个适当的照明的反射器在Tx频率和下一个特定的ILLU终止在接收频带。

图3显示了一个结合模型Tx / Rx用户和网关饲料链的工程模型。这个饲料链是在欧空局的阿特斯由Astrium公司的框架开发的。

在ESA阿特斯3-4合同的框架工程领资格阳离子模型的开发和检验正在运行。饲料链中的研磨层包含双工旋转门，魔TS，分支线耦合器和隔片的偏振器。图4是进料链的回波损耗。更多的测量研究结果发表在。

多点波束天线提供了一个典型的直径为0.5或更小的光束。因此，需要一个非常准确的指向的天线。例如，这可以通过使用一个活跃的瞄准系统来实现。一个信号灯信号可以被一个特殊的无线射频感应饲料链接受，这个链能够提供两者的总和和一个三角形图案。从这个跟踪信号的振幅和相位，可以得出用于自动指向调整的误差矢量。因此每个反射器都需要一个无线射频感应饲料链。通常情况下，信标位于用户区的内部。因此，无线射频感应能力由另外的进料链的用户和网关功能提供。图5示出了模型的组合的Tx / Rx用户，关与射频，（RF）的工程传感饲料链。这个饲料链是在欧空局的阿特斯由Astrium公司的框架开发的，5.2合同。工程师资格模型的开发和认证，目前在ESA阿特斯3-4帧的合同中运行。图6示出了无线射频感应饲料链所测量的总和和增量图案。

4.单波束天线的多馈

图7显示了一个单波束天线多馈系统的工程模型。这是由Astrium公司在DLR 授予的项目“美杜莎”框架中研发出来的。工程师资格模型的开发和认证，目前在ESA阿特斯3-4帧的合同中运行MFB天线用小角阵列创造波束。相邻波束共用

一个角（图8）。由于进料孔的物理重叠，仅用一个反射孔就可以产生重叠点。这导致到质量和成本的显着减少，并简化了的飞船上的天线的空间。这些优点是牺牲网络型的波束换来的。图9示出了部分组装的梅杜莎BFN。对于较大的覆盖范围，数多个耦合器和移相器都必须设计和容纳在不同的层的BFN。开发设计出先进的设计方法，这样使用，反射器的直径才可以是最佳的频率和最好的光斑直径尺寸。

5.SFB和MFB概念的比较

单波束单馈和单波束多馈是相辅相成的概念。对于不同的场景没有严格的概念划分。但是在本章中给出几个选择准则。SFB天线比MFB天线在增益的性能上稍微好一点。

因此，为大多数情况下，像图一。在大型航天器（如E3000），SFB天线应该是较有利的。然而，对于非常大的场景下，扫描损失可以变得相当高。在这种情况下，它应讨论四SFB天线是否可以替换为四MFB的天线，其中两个用于Tx 和两个用于Rx。在这种情况下，每个MFB天线只能提供一半的覆盖范围，这样可以显着减少扫描损失。成本和质量这两个概念是相当的。

MFB的概念的主要优点是仅仅需要两个反射孔，一个用于Tx，一个用于Rx。在大型航天器中，两个天线可被容纳的同一侧上的面板。第二侧面板可用于C-或Ku波段天线。这种方式与一个纯粹的Ka波段卫星相比，市场波动的影响可以

减小。

规模较小的卫星总线得到广泛应用。在一般情况下，在这些总线上放置四个大型的反光器比较难。此外，对于一个相对小数量的光束，RF能量是足够的。对于一个相对小数量的光束使用四个大反射器是很难有利可图。因此，对于小型航天器和较小的场景，如图10中欧洲中央方案，MFB天线应该是最佳的选择。

C-波段卫星在现有客户的服务和多雨地区仍然是很重要的。因为在C波段的可用带宽是相对低的，所以频率复用是很重要的。由于低的频率，一个SFB溶液可能变得相当笨重。一个拥有BFN的MFB天线代替一个波导BFN，将是一个更有前途的概念。

根据光斑的容量需求，使用矩阵功率放大器和开关矩阵可以实现中期、长期电源的光束分配。短期，直到可用空间限定灵活的Ka波段有效载荷，不同的光斑直径可以选择不同容量的需求。图11中一个例子可以证明。拥有每束七角的标准配置的小斑点天线可以照亮拥有高人口密度的地区，像德国，瑞士和奥地利。同样的多角形成的单一大点天线照亮斯堪的纳维亚国家这些人口密度较低的地区，像这样，一个更好的容量平衡是可能的。

6.多轮廓梁方案

多进给料天线也可以被用于轮廓光束。特别是对于用于现代广播服务的较小的语言光束来说，有日益增加的需求。图12出示了一个典型的语言光束概念。频率复用的水平低于斑点波束，但至少它可能会增加卫星的容量。

对于大多数电视台中，它是合理的甚至是有利的（体育赛事或语言区的牌照费。对于单个国家，一组国家，岛屿等，光束尺寸是可以测量的。具有相同的颜色区域之间的高隔离是必需的。如果使用相同的颜色的轮廓光束之间的距离较小时，需要一个大的反射器来实现高隔离。多进给料光束的一个优点是用于激励系数的高自由度。对于不同的覆盖区之间的高隔离来说，这可以更容易抑制旁瓣。

7.多点波束天线的RF测量

激励系数的准确性是MFB的天线必不可少的性能。因此，使用网络分析器来测量在组装过程中的BFN是非常有必要的。图13出示了在Astrium公司一个干净的房间中的测量设置。对于每个波束，BFN都有一个输入端口和输出端口，因此每个波束的七套S参数都必须被测量。对于典型的多点波束场景需要测量几百个S-参数。虽然测量一个输出端口时，属于相同光束上的所有其它输出端口必须被一个匹配负载所终止，但是这个任务需要特殊测量适配器。虽然相位测量的校准对温度变化比较敏感，但是这需要在测量过程中温度保持恒定。这些测量值可以校对检查制造过程中的准确性和预测天线性能。对于一个发送饲料，由欧姆损耗造成的耗散功率是可以被确定的。

图14出示了梅杜萨BFN的一个光束的激发系数的测量值和预测值得比较，图15是相位比较。振幅和相位的测量和预测之间达成一致。这好的协调是波束形成网络的设计过程和制造的成熟度和精确度的有力证据。

在测量整个天线之前，进料系统应该先测量它自己。图16出示了在Astrium 公司的饲料测试范围中梅杜萨进料系统的测量。合作和交叉极化图案和每个波束的增益都必须进行测量。

对于卫星天线的图形测量通常是在补偿的紧凑型系列（CCR）中进行的。CCR 逐个可以在可控的环境条件下的腔室内部提供远场条件。双反射原则可以用非常低的交叉极化水平和出色的精度来测量。图17出示了在Astrium公司的补偿的紧凑型系列测量过程中的梅杜萨天线。多点波束天线的斑点具有非常窄的波束宽度。典型的半功率波束宽度在1.0和0.2之间。因此，要使用一个非常密集的角分辨率，必须进行测量。在整个服务区域的所有的光束测量，因为交叉极化和旁瓣的其它波束会互相干扰。对每束光的测量所付出的努力可与为标准的天线所作出的努力相媲美。因此，要测量一个多数量光束[14]的准平行，必须研究新的测量程序。

图18显示了美杜莎天线的测量模式,它的目的是为阿拉伯半岛、叙利亚、埃及和部分利比亚地区提供多点波束。此外,对于反射镜和关于紧凑的范围内坐标系统的反射器来说，进给料系统的对准是非常重要的。用经纬仪的传统调整方法已经被一个现代激光跟踪系统所取代。激光跟踪仪主要测量进料系统,天线反射器和紧凑系列反射镜的原来目标的位置。通过测量结果，可以得出用于定位的修正矢量。定位器纠正了进料系统和天线的位置，直到修正向量保持低于指定的阈值。图19显示了关于Astrium公司的紧凑型系列在对准过程中的激光跟踪和定位器。

8.结论和展望

多点波束卫星能提供比传统的卫星更高的容量。通过应用一个高度频率复用方案，实现了容量的大幅度增加。更为有效地利用可用的资源将允许卫星提供商为宽带和广播提供具有竞争力的服务。多点束天线是频率复用方案的一个关键元素。讨论了这两个基本概念,单束单馈和单束多馈,和他们的应用。多馈天线可以用在大型卫星平台,以及在较小的平台。多点波束概念在将近的频段像ka波段和传统的频段像C波段、ku波段两方面都是很有前景的。

多点波束卫星的当前载荷有一个有限的灵活性。对于未来灵活有效载荷，德国航天局支持大范围的发展,例如开关矩阵,灵活的功率放大器,灵活的液晶相移器[1,形成网络的灵活的波束等。这些技术将允许整合可重构性和灵活性进入现在的对点波束概念。