CN1191637A - 一种大型相控天线阵通信卫星 - Google Patents

Abstract

本发明公开的通信卫星采用分布的多路复用和解复用技术,以使可展开的相控天线阵面板与中央处理器之间所需电缆布线量最小化。信号从有源阵列面板被分配给每个有源天线元。每个有源天线元有至少一个发射单元,一个调制器和用于形成调制波形的采样和保持电路。

Description

一种大型相控天线阵通信卫星

发明领域

本发明涉及一种相控天线阵通信卫星，更具体而言，涉及一种为将展开式相控天线阵面板和中央处理设备之间所需铺设的电缆的数量减至最小而采用分布式复用和解复用的通信卫星。

发明背景

一个蜂窝通信系统包括多个移动的车载或手持电话，它们由固定的地面站、轨道卫星或两者相结合提供业务。这种为大量用户提供业务的系统的容量取决于给业务分配的频谱的大小和无线频谱利用率的高低。频谱的利用率是用每平方公里每兆赫兹同时进行的会话数(爱尔兰)为单位来衡量的。一般说来，通过多次重用可用带宽的方法比起试图在同一带宽内装进更多的会话更能提高频谱利用率，因为压缩会话带宽需要增加会话之间的空间间隔，从而抵消了容量上的增加。因此，通常更好的做法是增加每个会话所用的带宽，使更密的频率重用成为可能。

一种增加容量的方法是用一个相控天线阵通信卫星转发从地面站到大量的移动台的信号。美国第08/179,953和第08/179,947号专利申请公开了一种由地面控制的轨道相控天线阵系统，在此引入它们作为参考。

在相控阵天线中，馈线链路向卫星中继站发送并从它接收信号。但是馈线链路的带宽是有限制的。在此引入一名为“多波束宽度的相控天线阵”的美国第08/225,399号专利申请作为参考，它公开了一种更有效地利用馈线链路的有限带宽在地面站和相控天线阵卫星的转发器之间传送复合单元信号的方法。

现有技术未能揭示使用相干时分复用馈线链路和分布式解复用可减少到展开式相控天线阵的电缆数。一些现有系统采用分离的同轴电缆或波导管将天线阵的每个单元与中央转发器相连。这种设计对于现有技术中天线元的数目或需产生波束的数目较少，如6，19或37的系统是适合的，但如果天线元或需产生波束的数目达到本发明所设想的值，它就不适用了。本发明将省去繁多的馈线电缆从而大大减轻系统的重量。

公开内容概述

本发明包括为了将展开式相控天线阵面板和中央设备之间所需铺设的电缆的数量减至最小的分布式复用和解复用。

本发明的一个实施方案公开了用在至少一个第一站和多个第二站之间通信的卫星中继站。该卫星中继站包括一定数目的有源天线面板，它们在发射装配时沿着卫星叠起，形成一个圆柱体，一旦卫星进入轨道，这些天线被展开，形成一个共面天线。这些有源天线面板至少包括时分复用的信号分配装置，用来在第二多个有源天线元之间分发信号。第二多个有源天线元中每个都至少包括一个连到发射功率放大器的发射元件，一个带调制波形输入的调制电路，一个抽样和保持电路，用来对信号分配线路上的信号进行抽样，并对抽样后的信号滤波以形成调制波形。

附图简述

结合附图，本领域的技术人员将很容易从下文中领会到本发明的诸多特性和

优点。附图中：

附图1说明本发明中卫星的一般构造；

附图2说明根据本发明的一个实施方案，使用频率双工方式发送和接收的有源天线元；

附图3说明本发明的一个实施方案中的相干时分复用馈线链路；

附图4说明本发明中接收解复用器的第一级；

附图5说明本发明中接收解复用器的第二级；

附图6说明正交调制；

附图7说明本发明中的接收处理元件；

附图8说明本发明的另一实施方案中的接收处理元件；及

附图9说明本发明的一个实施方案中的接收处理及K-波段发射复用元件。

公开内容详述

附图1说明本发明中卫星的一般构造。附图1a显示卫星10带有多个天线阵面板30和太阳能电池板20，它们在发射装配时叠成一个近似圆柱体，以更适于搭载在运载火箭的整流罩下发射。卫星还包括其它常见子系统如远地点助推器50和其它未在附图1标出的子系统如电池和功率调节系统，带姿态传感器的反力轮姿态控制系统，用来定期清除动量轮的磁转矩装置，热气管式温度控制器，遥测，跟踪和控制系统，以及本领域熟知的有关的通信负荷电子仪表。

附图1b表示在进入轨道，天线面板和太阳能电池板展开后一般配置下的卫星。K波段馈线链路天线40装配成指向地球，而用完的远地点助推器则背向地球。每个天线面板包括大量的天线元和相关的组成有源元的有源相控天线阵模块。这些有源元件可以是只发射元件，只接收元件或采用时分复用或频分复用的发/收元件。在后一种情况下，双工滤波器允许同时发射和接收。

附图2说明本发明的一个实施方案中的频率双工配置。插板天线100位于地电平面101之上，组成一个阵列单元。地电平面101可以是一块印制电路板，其元件焊接在另一侧。插板天线100通过和中心成90度差的两点馈电，形成交叉线性极化。交叉线性极化通过使用一个90度，3dB的耦合器102转化为RHC和LHC圆极化。一个极化用于发射，它将发射功率放大器106通过一个滤波器105连到耦合器102的一个输入端，耦合器的其它端口则通过滤波器103连到低噪声放大器104用于接收。使用相反的极化发射和接收，在发射功率为1瓦的功率放大器105和接收功率为10^-16瓦的低噪声放大器104之间提供了近20dB的间隔。由于功率水平上存在如此巨大的差异，需要有比耦合器提供的20dB更大的间隔。滤波器105阻止可能产生干扰的元件和被功率放大器106放大的接收频率中的宽带噪声。但是，滤波器105通过所需的发射频率给滤波器103，在通过所需的接收频率的同时，它使阻止其强度可能足够使其饱和的剩余发射频率能量到达低噪声放大器104，发射/接收频率间隔(双工间隔)足够的情况下，这些滤波器及耦合器102能够廉价地印制在印制电路板101，功率放大器106和低噪声放大器104也可焊接在它上面。在某些情况下，每个插板天线100并不总是有功率放大器和低噪声放大器与其相连。许多天线插板也可能首先将它们的信号连接合在一起形成“子阵列”然后再连到该子阵列的功率放大器和低噪声放大器。

设计这种子阵列的目的是由耦合个别单元形成的组合辐射图应覆盖需提供通信的全部区域。如果辐射图太宽，子阵列和相应的功率放大器和低噪声放大器的数目将过大，而且由于每个子阵列都在K波段馈线链路上从地面站接收信号，占用的馈线链路带宽也将过大。另外，如果子阵列图形太窄，在覆盖区域的边缘增益将下降。举个例子，如果覆盖区域为卫星在地平线上20度以上瞬时可见的地域。这种在覆盖区域边缘增益的损失可以通过对每个元件的辐射图形整形的方法减至最小，以在覆盖区域的边缘获得更大的增益，这时地面移动台位于最大的倾斜距离，当在卫星正在上方的覆盖区域的中央时增益较小，而到移动台的斜距最小。为提高在覆盖区域的边缘时的增益，也可以利用比地面覆盖更宽的带宽的子阵列和更多的子阵列以形成所需的波束。这需要更大的K波段带宽，如果可能系数为2更好。美国第08/179,947号专利申请的其它具有创造性的方面也将被采用，如使用高效的C类功率放大器发射多个信号，能够耗散不需要的间调制(intermodulation)成分，使其在不截断地球的方向产生。

附图3说明K波段馈线链路上使用的时分复用格式。在卫星发射方向，地面站信号处理器为每个发射阵列单元计算复数(I+jQ)信号样值，它代表一个包括送往多个移动台的信号的加权和的复合信号。每个单元的复合信号都被计算，使得从相应的卫星阵列单元发射它们的组合效果是每个送往各个移动台的信号都被送往所需的方向。美国第08/179,953号专利申请公开了在数字信号处理器中产生这些信号的矩阵数学运算，这里引入作为参考。

每个单元的信号样值被时分复用成一个时分复用的‘I’信号201，代表序列单元的实数部分，和时分复用的‘Q’信号202，代表后继单元的虚数部分。已知的校准样值200可能包括在复用格式中，用于在接收解复用器中帮助同步和频率校正。I复用信号被调制为K波段载波余弦分量，而Q复用信号被调制为正弦载波。这可由正交调制器用已知的方式来完成。如果需要，调制可首先作用到一个稍低的中频载波，然后将其上变频至K波段。

附图4说明本发明的一个实施方案中卫星上的接收解复用器。用K波段天线40在K波段接收从地面站从来的信号。接收下的信号经超外差接收机41放大，滤波和下变频，并最终被正交解调器转换为复合I，Q基带信号以产生I，Q复用波形。这些波形经I解复用器43和Q解复用器44抽样，将波形样值分离送往不同的阵列面板。为简化起见，复用的次序最好是：

校准样值0

送往面板0单元0的样值

送往面板1单元0的样值

送往面板2单元0的样值

送往面板3单元0的样值

送往面板4单元0的样值

校准样值1

送往面板0单元1的样值

送往面板1单元1的样值

送往面板2单元1的样值

送往面板3单元1的样值

送往面板4单元1的样值

……………等等

解复用器在第一输出端分离出校准样值0；在第二输出端分离出送往0面板0单元的样值；在第三输出端分离出送往1面板0单元的样值等等；然后又返回在第一输出端分离出校准样值1，在第二输出端分离出送往0面板1单元的样值等等；因此从输出端1产生了一串连续的校准样值0，1，2，...0，1，2，...，并被送往同步和频率校正单元45，而从输出端2则产生了0号面板的一串连续的样值0，1，2，...，从输出端3产生了面板1的一串连续的样值0，1，2，...，依此类推。

同步和频率校正单元45被程序设计成期待先验已知的校准样值序列，并控制时钟发生器42的计时以同步解复用器43和44，直至收到期待的校准样值序列。举例说，假设卫星包括31个展开式相控天线阵面板并有一个校准样值分散在总的32次复用循环中。建议取2的幂32，因为利用一个双极型晶体管开关二叉树更容易构造超高速复用器和解复用器，其中成对信号在一组第一级复用器被复用，一对成对的信号进一步用另一组第二级更高速的复用器复用等等。每个32次循环中的31个样值都被送往各自的面板，它们包括送往该面板的每个单元的样值复用或子-复用。例如，假设有31块面板，每块面板有16个单元，这样整个阵列总的单元个数为31^*16＝496个。整个阵列总的单元个数可以通过改变第一级复用的面板数和校准样值数或每个面板的单元数而变。在后一种情况下，形成一个2次幂的复用循环不再重要，因为不论多少输入端都易于构造低速子复用器。

假设每个单元发射一个带宽近似为1MHz的复合信号，要满足Nyquist抽样准则每个单元每秒的复数样值要达到1兆个。整个K波段链路上每秒的样值总数将达到512兆个，包括32个16兆个样值/每秒的子复用流，其中31个是给相应的阵列面板的，而1个由校准样值组成。16兆个样值/每秒的校准流由已知的信号电平如+1，-1或0组成，并在需要时可形成I和Q流上的16兆码。这样就有了足够的信息来获得和维持同步，发送内务信息或向/从卫星发送命令。

校准样值由一个I样值和一个Q样值组成，它们一起组成了一个复数样值。一个发射的1+jQ的复数样值可能被收为Acos(q)+jAsin(q)，其中A是经传播路径衰耗和接收机放大后的接收振幅，q是传播路径引入的相移。同步和频率校正单元45计算I和Q校准样值的平方和，得到A²，它可用来调整接收机41的增益，直至接收机41和解复用器43和44输出的校准样值达到所需的幅值。这也将保证阵列样值达到所需的幅值。

绝对的相移θ并不重要，只有阵列信号之间的相对相位才是重要的。但是，θ变化的速率代表了频率的差错。同步和频率校正单元45能计算出相位变化的速率，它是通过用下面的公式合成相继的同一类型的I和Q校准样值，即I(i-1)，Q(i-1)和I(i-1)，Q(i-1)得到的。

Q(i)^*I(i-1)-I(i)^*Q(i-1)

这个公式给出了测量相同类型的相继校准样值间相位翻转的次数，也就是频率出错的次数的方法。可用它来校正K波段接收机41中的本机振荡器，直至频率差错率降至合理限度。频率差错的每秒样值的个数可以计算出来，在上例中为16兆，它足以构造一个快速的，准确的频率自动控制反馈环路。在自动频率控制反馈环路中可引入绝对相位Q的因素，形成一个锁相环和锁频环。这可通过在反馈环路中增加Q样值Asin(θ)元素实现，我们可控制该因素到0，从而将q调到目标值0。

时钟发生器42在同步单元45的控制下同步以分离所需的校准样值模式，同时产生时钟脉冲和组帧选通信号输出，和每块面板相应的分离信号样值一起分发到阵列面板去。

附图5说明在特定面板的每个单元上是如何使用时钟和选通信号的。单元42输出的时钟信号由一个缓冲放大器37a缓存，用来驱动一个计数器33。单元42输出的选通信号缓存在一个缓冲放大器37b中，用来复位该计数器。例如，选通信号可对应于校准样值已被解复用器43和44分离出来但阵列单元样值尚未分离的时刻，此时选通信号就标志着从时分复用格式分离出阵列样值的开始。在选通后计数器33产生一个抽样脉冲送往抽样和保持电路34，并被程序设定一个时钟脉冲数目‘N’。这将从I和Q复用流中分离出上述阵列面板的单元N的信号。缓冲放大器38a，38b防止抽样开关34产生的低频干扰反馈到I和Q复用线，从而避免了对面板上所有单元公用的线路的可能的干扰。单元‘N’的分离后的I和Q样值被具有略低于子复用样值速率的一半(在上例为1M/SEC)的截断频率的低通滤波器35和36转换为连续的调制波形。

附图6说明附图5所示电路产生的连续的I和Q波形如何被一正交调制器用来对一个L波段的载波进行正交调制。所需的L波段中心频率由本机振荡信号56决定，例如它沿阵列面板印制电路的一条带状槽被分发到面板的所有单元去。定向耦合器55从线路56上对一部分本机振荡信号进行抽样，该定向耦合器也可印制在面板上。信号在缓冲放大器54缓存后，通过一个Hilbert网络或移相器51被分解为相位相差90度的分量。分量驱动相应的I和Q平衡调制器分别对I和Q载波进行I和Q调制。然后，调制后的I和Q载波在求和点58求和，并产生一个信号去驱动功率放大器106。

这里不需要采取步骤控制本机振荡器分发给不同单元的信号的相对相位，因为中期的任何相位差别都是固定和稳定的，而且在产生基本I和Q样值时能被地面站补偿。在此引入作为参考的美国第08/179,953号专利公开了使用移动台判断由于不能很好补偿上述因素而产生波束形成错误的方法，它周期性地将这种测量结果通过卫星在反向链路上送给地面站。

附图7说明本发明的一个实施方案中的接收信号处理网络的一部分。一个阵列单元或子阵列收到的信号被低噪声放大器104放大，并经滤波器64镜像干扰抑制，然后在混频器64中第一本机振荡信号61超外差下变频。产生的信号沿一条印制电路槽被分发给所有单元，每个单元用定向耦合器62和缓冲放大器63对信号的一部分进行抽样。已经被混频到一合适中频的接收信号被一带通滤波器65滤波以滤波到所需的总系统带宽(上例中为1MHZ)。滤波后的信号更进一步用中频放大器66放大，以将信号提高到合适的电平。然后，放大后的中频信号用正交解调器69正交下变频到复数(I，Q)基带中。第二本机振荡器定义带宽的中心频率，它被转换到基带，并分发给所有单元。

对于附图8所示的电路可以做些修改以减少分散的本机振荡器的数目以及不适于集成到硅芯片上的电路元件的数目。例如，可以不用镜像干扰抑制滤波器60，而改用镜像干扰抑制混频器75，它包括一个分解放大器74，由正交VCO71产生的正交本机振荡信号驱动的混频器72和73，中频Hilbert合成网络70。

如果选择第一和第二本机振荡器频率使它们之间成简单的比例关系，如32∶1，则所需分发的本机振荡信号的数目可以减少。然后，用放大器76缓存第一本机振荡器频率，送往数字除法器77，在那里被32除，并在相位比较器78中与缓冲器80和81从线路67抽样得到的已分配的第二本机振荡器频率比较。接着用环路滤波器79滤波错误信号，并送往正交电压控制振荡器71的电压控制输入以控制它的频率和相位。这种电路在实用时也可以简化，并可集成到一个硅芯片，它包括了所有的模块75，77，78，80，81，82，66和69。只有不宜集成的滤波器如103，65和79仍留在芯片外，芯片只占几个平方毫米的硅。另外，可使用同样的技术在本地产生发射本机振荡信号56，使得只需在阵列内向单元分发一个单一的参考频率。

附图9说明另一个接收处理电路，它用分布的复用器91和92将一块面板上每个单元的信号复用为面板-复用信号，并用中央复用器93对所有的面板信号再超级复用，其中还在地面站包括校准信号做类似卫星上的作用，即同步获得，维持，自动增益控制和自动频率控制。分布的复用器91和92可集成到实现附图8电路的同一硅芯片上。

显然，如果接收处理中的时钟和选通信号能够与发射所用的部分一样，则用于分发时钟和选通信号的线路的数量将降至最小，这是最佳的解决方案。

在美国第08/179,953号专利公开的材料的帮助下，本领域的技术人员可以对本发明做出许多具体的修改，所有这些修改都在以下权利要求所述的本发明的范围和想法中。

Claims (7)

1.用于在至少一个第一站和多个第二站之间通信的卫星中继站，包括：

一定数量的链接有源天线面板，所述有源天线面板至少包括：

时分复用信号分配设备，用于将信号分发给第二一定数量的有源天线单元装置，这些第二数量有源天线单元装置每个包括：

一个辐射单元，连到一个发射功率放大器；

一个带有调制波形输入的调制器电路；

一个抽样和保持电路，对所述信号分配线路上的信号进行抽样，并对抽样后的信号滤波，形成上述调制波形。

2.根据要求1的通信卫星，还包括：

馈线链路接收器装置，用于从至少一个第一站接收阵列单元信号的时分复用信号；

解复用装置，用于为每个所述有源天线面板分离出一个时分复用后的信号以用上述信号分配装置分发。

3.根据要求1的通信卫星，其中所述有源天线单元装置被分成子阵列。

4.用于在至少一个第一站和多个第二站之间通信的卫星中继站，包括：

第一一定数量的链接有源天线面板，它至少包括：

时分复用的信号采集装置，用于从第二一定数量的有源天线单元采集信号样值，所述第二一定数量有源天线单元装置每个包括：

一个辐射单元，连到一个低噪声放大设备；

一个下变频接收器电路，它的一个输入端连到上述低噪声放大设备，一个输出端输出下变频过的波形；

一个抽样电路，对上述下变频过的波形输出进行抽样，并将抽样后的信号送给上述采集装置。

5.根据要求4的通信卫星，还包括：

中央复用器设备，它有连到每个有源天线面板的上述信号采集装置的输入端和一个复用输出端；

馈线链路发射器装置，与上述复用输出端相连，用于将从中间站收到的有源天线单元信号的时分复用信号发送到至少一个第一站；

6.根据要求4的通信卫星，其中所述有源天线单元装置被分成子阵列。

7.使用一个中继站通过多个天线单元面板组成的相控阵天线从一个第一站到多个第二站转发信号的方法，包括以下步骤：

从所述第一站接收信号；

放大，滤波并下变频所述接收的信号；

将所述下变频的信号变换到复数I，Q基带上；

对变换后的信号进行抽样，产生天线的每块面板分离后的信号样值流和校准样值；

用所述校准样值产生时钟脉冲和组帧选通信号输出；

用上述时钟脉冲和组帧选通信号产生一个抽样脉冲，从上述信号样值流中分离出天线单元的一块面板上某个单元的信号样值；

将上述信号样值变换为连续的调制波形；

用上述连续的调制波形调制载波，产生一个驱动信号；

用上述驱动信号驱动功率放大器，产生一个发射信号，通过上述天线单元向多个中间站发射。

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