第5章星载和地球站设备

陆地链路的选择 地面接口
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2.地球站的组成
图 5-16 地球站主要单元设备
地球站射频部分
• 天线
卡塞格伦天线
• 高功率放大器HPA
波导耦合合路器 滤波器型合路器
• 低噪声放大器LNA • 上、下变频器
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• 卫星天线通常采用抛物面天线，利用无线电 波信号跟光相似的特点来反射聚集电磁波， 接收天线结构主要由反射面、馈源和支架几 部分组成。
行波管放大器（TWTA）
速调管放大器（KPA）
固态功率放大器（SSPA）
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图5-2 不同频段三种放大器的输出功率
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高功率 输出
带宽
功放管
放大器 功率
TWTA 中
较宽
真空管
50~
C波段：500MHz
800W
Ku和Ka波段:
水冷:10kw 1000MHz
KPA 大
较窄
真空管
1KW以上 50-100MHz
SSPA 小 3-10W
介于TWTA和 KPA之间
砷化镓场效 应半导体管
三种放大器的性能比较 7
室外单元包括 GaAsFET固态功率 放 大器、低噪声 FET放大器、上/下 变频器及其检测电 路等，并组装成一 个部件设置在天线 馈源附近；
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低噪声放大器（LNA）
• 地球站接收到的卫星信号非常微弱，因此必 须在接收系统前端加入低噪声放大器(LNA)。
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• 目前大型地球站应用最多的天线是卡塞格伦
天线。它属于后馈式天线，由馈源喇叭(一次
辐射源)、主反射器(抛物面)和副反射器(双曲
面)组成。
卫星来波
金属抛物面 馈源
副反射面 (双曲面)
实焦点 F2
虚焦点F1
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后馈式抛物面天线
卫星来波
1次反射信号波 实聚焦点（馈源）
虚聚焦点（双曲面） 2次反射信号波
处理转发器：除进行信号转发外，还具有信 号处理功能。主要功能包扩：
– 解调再生，避免噪声积累
– 星上交换，对不同的卫星天线波束之间进行信号 交换。
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（一）弯管式转发器（透明转发器）
图4-4 星载微波转发器功能图
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图4-5 弯管式转发器方框图
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（二）转发器的EIRP和G/T
• 对转发器的基本要求是：以最小的附加噪声和失真， 并以足够的工作频带和输出功率来为各地球站有效 而可靠地转发无线电信号。
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• 以上因素必然会影响天线精确对准卫星，所 以口径较大的地球站天线都必须有一套伺服 跟踪系统，以确保天线主波束准确指向卫星。
• 需配置伺服跟踪分系统的地球站：
– 大型陆地固定卫星通信地球站（小型固定站一般 不设伺服跟踪设备）
– 陆地移动卫星通信地球站（非手持机） – 船载移动卫星通信地球站 – 机载移动卫星通信地球站
• EIRP和G/T是转发器射频部分最重要的两个指标，除 了决定于HPA输出功率和LNA的等效噪声温度以外， 还与星载天线的增益相关。天线增益G与半功率波束 宽度0.5的关系可以近似表示为 G=27000/(0.5)2 对任意形状服务区的覆盖总希望天线对该区域 提供大的增益，为此采用若干点波束的组合来对覆 盖区赋形。
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自动跟踪天线
车载式自动跟踪天线
手提式自动跟踪天线
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• 地球站天线跟踪系统一般有3种跟踪方式：
– 自动跟踪：接收卫星发射的信标信号，使天线自 动对准信标信号来的方向；
– 程序跟踪：预测卫星轨道信息驱动天线； – 手动跟踪：手工移动天线。
• 大中型固定地球站一般采用自动跟踪系统为 主，手动跟踪和程序跟踪为辅的方式。根据 地球站接收到的卫星所发的信标信号，检测 出误差信号，驱动跟踪系统，使天线自动地 对准卫星。
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5.3.2 中频与基带处理部分
具有调制/解调、编/解码等功能 调制/解调是在IF载波上进行 具有复用的功能
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5.3.3 地面接口与陆地链路
陆地链路的设置和选择 地面接口
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陆地链路的设置和选择
图5-19 地球站与交换局、用户设备间的陆地链路 54
图4-19 微波和光纤两种陆地链路所需投资的比较 55
• 缺点：
– 结构复杂，价格昂贵，制造、安装、调试、维护的技术 要求也都比较高，适合大中型地球站，不适于家庭和小 范围使用。
– 副反射器及其支架的阻挡，造成效率下降
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②偏馈天线 • 偏馈天线特别适合接收KU波段信号，一般
来说口径较小，通常在一米以下，反射面呈 现椭圆。由于馈源安装的位置不在天线反射 面的中心线上，所以被称为偏馈天线。
车（船）载台 手持机
项目
平均发射功率 (W)
天线增益(dBi)
G/T (dB/K)
Iridium
0.4
1.0
-23
Globalstar
0.5
2.5
-22
表4-2 Iridium和Globalstar系统手持机主要参数
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• 信关站
网络（用户）管理功能 与地面公用网互连的功能 交换功能（对透明转发器而言）
对任意形状服务区的覆盖总希望天线对该区域提供大的 增益，为此采用若干点波束的组合来对覆盖区赋形。
可通过修改反射器形状来实现 也可利用多个馈源从不同方向经反射器反射产生多波束
的组合
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• 4、相控阵列天线和多波束天线
阵列天线 相控阵列天线
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三、通信地球站设备
• 射频部分 • 中频与基带处理部分 • 地面接口与陆地链路
• 按照天线反射面与馈源所处的相对位置不同， 我们可以把抛物面天线分为
– 正馈天线
– 偏馈天线
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①正馈天线 • 中心聚集电波的卫星天线被称为正馈天线，
其天线反射面呈正圆状，馈源位于天线抛物 面焦点处。 • 正馈天线根据结构不同还可再分为
– 前馈式天线（即普通抛物面天线） – 后馈式天线（即卡塞格伦天线）。
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4、变频器
• 上变频器，将中频信号变换为射频信号。 • 下变频器，将射频信号变换为中频信号。 • 射频频率：C波段（上行6GHz /下行4GHz）、
Ku波段（上行14GHz /下行12GHz ） • 中频频率：由卫星转发器带宽而定。
– 若带宽较窄(如36MHz)，中频选70MHz – 若带宽较宽(如72MHz)，中频选140MHz
• LNA的要求：
– 高增益，要对微弱信号进行高倍放大； – 低噪声，放大器本身引入的噪声也要足够低，不
能淹没微弱的有用信号； – 宽频带、高稳定性、高可靠性等。
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• 低噪声放大器（LNA）
参量放大器 致冷砷化镓场效应放大器 常温砷化镓场效应放大器(GaAsFET)
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图4-3 三种LNA的内部噪声性能
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前馈式抛物面天线
卫星来波
反射焦点（馈源）
金属抛物面
反射信号波
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原理图
金属抛物面
卫星来波 反射焦点（馈源）
太阳
F 反射信号波
f
聚光镜
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原理图
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• 前馈式天线优点：
– 结构简单、成本较低
• 缺点：
– 由于馈源正好位于天线抛物面焦点处，带来诸多 问题，比如辐射器对反射电波有个遮挡作用；馈 线较长，损耗较大；LNB处于阳光直射环境，温 度高等。一般大型站不用。
金属抛物面
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主反射面
副反射面 (旋转双曲面)
馈源
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• 卡塞格伦天线的优点：
– 馈源安放在抛物面顶点附近，因此可直接和主反射面背 后的低噪声放大器连接，降低了因馈电波导过长而引起 的损耗噪声；
– 主副反射面调整方便，效率高； – 抛物面焦距很短，降低了整个天线的长度; – 降低了大地反射噪声。
• 转发器接收来自地面的无线电波，经过放大后， 变换频率再向地面发射，相当于一个微波中继站。
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• 转发器通常分为：
• 透明转发器（弯管式转发器）：收到地面发 来的信号后，除进行低噪声放大、变频、功 率放大外，不作任何加工处理，只是单纯地 完成转发任务。结构简单，性能可靠，适用 于卫星有效载荷和电源功率严重受限的情况
道
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TV单收站
DTH系统的家用单收站
单个接收机
地面有线TV系统的“电缆前端”TVRO
多个接收机
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图4-23 TVRO天线直径与卫星EIRP的关系
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图4-22 具有卫星前端的地面有线电视系统
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图4-24 有线电视网前端的TVRO
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（五）MSS移动终端和信关站
• 移动终端
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（5.2.3）星载天线
• 喇叭型天线 • 抛物面反射型天线 • 赋形天线 • 相控阵列天线
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• 1、喇叭天线
形状似喇叭，如圆锥形、角锥形 辐射效率高 天线方向性强
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2.抛物面反射型天线
图4-6 中心馈源和偏置馈源的抛物面反射天线
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图4-7 中心馈源的阻挡效应 22
• 3、赋形波束天线
卫星来波金属抛物面副反射面双曲面虚焦点f馈源36后馈式抛物面天线卫星来波金属抛物面次反射信号波虚聚焦点双曲面实聚焦点馈源次反射信号波37副反射面馈源主反射面39馈源安放在抛物面顶点附近因此可直接和主反射面背后的低噪声放大器连接降低了因馈电波导过长而引起的损耗噪声
第5章 星载和地球站设备
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提要
（一）HPA和LNA （二）星载转发器 （三）通信地球站设备 （四）其它类型的地球站(略)
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普通偏馈天线的侧视图
θ 水平
LNB(高频头) 高频头支杆
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偏馈天线 43
伺服跟踪分系统
• 虽然通信卫星大多为静止卫星，但由于卫星 的实际运行轨道和理想轨道总存在一定的偏 差，因此，静止卫星并非完全“静止”。
• 根据天线理论，天线主瓣的波束宽度反比于 天线的口径，在天线口径较大时，天线主瓣 波束会很尖锐，方向性很强，当天线主波束 指向卫星的方向稍有偏差，天线增益就会有 明显变化，天线口径越大，工作频率越高， 这个问题就越严重。
地面接口
图4-20 三种地面接口的示意图
56ห้องสมุดไป่ตู้
（四）其他类型的地球站
• TT&C地球站 • TV上行站和广播中心 • TV单收站
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TT&C地球站
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（1）TT&C地球站
射频 基带处理部分
指令子系统 测距子系统 遥测子系统
地面接口单元：用于与SCC接口
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（2）SCC
卫星运行的神经中枢 轨道控制 监视卫星的上行和下行链路的通信传输通
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LNA前端的接法
LNA模块只包含低噪声放大器 宽带低噪声下变频模块：LNA模块除了低
噪声放大器以外，还包含宽带下变频器， 带宽约500MHz 窄带低噪声下变频模块： LNA模块除了低 噪声放大器以外，还包含窄带下变频器， 带宽约70MHz
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二、星载转发器
• 转发器由输入设备、调制设备、本振设备、放大 设备和发射设备组成，可以转发两地或多地的电 报、电话、数据、传真、电视、广播等多类业务。
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1.卫星通信系统的组成
（1）卫星通信系统的组成
通常卫星通信系统是由地球站、通信卫星、跟踪遥测及指令 系统和监控管理系统4
（2）卫星通信线路的组成
一、HPA和LNA
• 高功率放大器（HPA）
• 在常规的卫星通信中，通信卫星多采用静止 卫星，距离地球站较远，电波传输损耗较大。 接收设备受噪声限制，其接收灵敏度不可能 无限提高，而发射方上变频器限于器件水平, 输出功率一般都比较低(大约-20~10dBm)， 所以为了可靠接收，在上变频器之后要设置 一个增益达到50~80dB，输出功率约几瓦到 几千瓦量级的高功率放大器。