第4章2地球站设备

关键部件：圆极化变换器
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关键部件：信标分离器
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2. 发射分系统的组成
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高功率放大的方式
采用宽频带特性的行波管放大器； 必须取较大的输入补偿，行波管功率利用率低。
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高功率放大的方式
采用大功率速调管放大； 必须取较大的输入补偿，行波管功率利用率低。
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关键部件：(1) 行波管放大器
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v0 vp
变化。利用AGC信号作为跟踪依据，AGC输出强度与输入射
频信号强度成严格线性关系。对AGC前后输出信号进行积分、
比较和判断，决定天线的驱动方向。
跟踪精度和跟踪速度都比较低，但设备简单，价格低，维 修方便(可以简化馈源，省略跟踪模耦合器，跟踪接收机简单)
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4. 伺服跟踪分系统
自动跟踪方式原理介绍
主要特性
同步特性
功率增益
效率
工作频带
v0 vp
稳定性
行波管的同步特性
行波管的增益特性和输 出输入特性曲线
行波管中电子平均速度的变化
行波管的增益频率特性
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关键部件：(2) 高功率放大器的备份方式
v0 vp
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高功率放大器的备份电路
关键部件：(3) 高功率放大器的多载波合成
v0 vp
门雷－罗威关系给出了理想非线性电抗被两个频率激励后，在 各频率分量上的平均功率分配关系，描述了理想非线性电抗中 能量交换的定量关系。
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低噪声参量放大器原理
(3) 门雷－罗威关系式的应用 差频有两种情况：差频上变频
和频上变频，具有放大作用， 时，泵浦增大时，差频功率增大。 将泵浦能量转化为和频能量输出， 差频下变频，变换效率低，不实用。 常制成发射机上变频。
v0 vp
用于载波合成的微波器件 微带90度混合接头(0.1dB)； 带通滤波器(0.6dB)； 载波合成时对载波1损耗0.8dB，载波2损耗0.2dB。
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关键部件：(3) 高功率放大器的多载波合成
v0 vp
高功率放大器载波合成电路
(a) 组合共同放大
(b) 放大后组合多个宽带载波
v0 vp
fs (m 0, n 1), f p (m 1, n 0)
f f p fs (m 1.n 1)
f fs f p (m 1, n 1)
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低噪声参量放大器原理
(4) 低噪声参量放大器原理
v0 vp
差频变频，差频频率和信号频率均得到功率，不从差频回路取出
第4章 星载和地球站设备
1
提要
(一) 与卫星运动有关的问题 (二) 通信卫星的组成
空间平台 有效载荷—天线分系统和星载转发器 一个实例—“中卫一号”
（三）通信地球站设备 （四）其它类型的地球站
2
三、通信地球站设备
• 射频部分 • 电源分系统 • 回波抵消设备 • 中频与基带处理部分 • 地面接口与陆地链路
v0 vp
末级按较好的线性度设计。
FETA的级联示意图
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低噪声放大器的备份电路
v0 vp
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下变频电路
v0 vp
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下变频电路
v0 vp
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4. 伺服跟踪分系统
伺服跟踪系统的作用
保证地球站的天线能够稳定可靠的对准卫星，从而使通信 系统能保持正常工作。针对大中型固定地球站的伺服跟踪系 统讨论。
陆地链路的选择 地面接口
• 地球站站址选择和布局
3
地球站主要单元设备
4
（一）地球站射频部分
• 天线馈线分系统
天馈系统组成及功能 基本要求 关键部件
发射分系统
组成及要求 大功率放大器 上变频器 本机振荡器(泵源)
5
（一）地球站射频部分
• 接收分系统
接收系统组成及要求 低噪声放大器原理
关键部件：(1) 行波管放大器
螺旋线中相速和光速的关系
vp
d
c ( D)2 d 2

vp

cd D
螺旋线中波的相 速与频率的关系
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关键部件：(1) 行波管放大器
工作原理
v0 vp
v0 vp 时行波管中的电子群聚
轴向电场分布图
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v0 vp 时行波管中的电子群聚
关键部件：(1) 行波管放大器
v0 vp
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低噪声参量放大器原理
(1) 非线性电容的变频功能 变容二极管电容与偏压的关系
v0 vp
变容管Cj－V特性及伏安特性 工作电压限制在下面区间
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低噪声参量放大器原理
(1) 非线性电容的变频功能 加到变容二级管的偏置电压 变容二级管的电容：
v0 vp
在泵浦电压激励下， 结电容为时变电容：
目前大、中型地球站都采用自动跟踪为主，手动跟踪和程序
v0 vp
跟踪为辅的方式。
自动跟踪按原理分三种方式：步进式跟踪、圆锥扫描跟踪和 单脉冲跟踪。
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4. 伺服跟踪分系统
自动跟踪方式原理介绍
(1) 步进式跟踪：极值跟踪体制，一步一步地控制天线在方位 面和俯仰面内转动，使天线逐步对准卫星，直到地球站的天 线接收到的信号达到最大值后，系统才进入休息状态，经过 一段时间后，再开始到跟踪状态，周而复始工作。
(2) 圆锥扫描跟踪：
把馈源喇叭天线绕天线对称轴作圆周运动，或把副面倾斜 旋转，这样天线波束呈圆锥状旋转。因为喇叭天线波束最大 辐射方向偏离等信号轴(天线对称轴)
低噪声放大器作用：为跟踪接收机提供合适的载波功率比和 接口电平，要求高增益和低噪声。
跟踪接收机的作用：将跟踪误差信号放大，检波，并与基准
v0 vp
信号进行比较，产生与天线指向误差角度成正比，且有一定极性
的误差信号。由下变频器、中频放大器以及检波器组成。
伺服控制放大设备作用：对跟踪接收机输出的误差信号、手 动信号或程序跟踪信号进行直流放大，以便推动驱动装置。由运 算放大器和可控硅元件组成。
加交流信号：
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低噪声参量放大器原理
(2) 非线性电容中的能量关系——门雷－罗威关系
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电路模型 本振源和信号源输入，R为内阻和各支路负载，由滤波器 作用，每支路只允许所标的频率分量通过。 根据能量守恒，非线性电容中所有频率分量的平均功率只和为零
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低噪声参量放大器原理
(2) 非线性电容中的能量关系——门雷－罗威关系
v0 vp
使干扰频率分量落在带外。
一个二次变频的例子
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本机振荡器(泵源)
要求：很高的频率稳定度，很低的噪声电平，能够迅速调整 到所需的频率。 采用晶振锁相倍频方案：
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减少倍频次数可提高输出功率，而且有利于降低本振的调 频噪声，要减少倍频次数，必须提高压控振荡器的工作频率， 又会使振荡器的频率稳定度降低。
影响：使天线的有效工作增益降低，同时指向偏差更大
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时可能会对静止轨道上邻近的卫星造成干扰。
天线指向偏差 产生的影响
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4. 伺服跟踪分系统
跟踪系统的基本组成 跟踪接收机、伺服控制放大设备和驱动装备三部分。
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跟踪系统主要设备组成方框图
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4. 伺服跟踪分系统
跟踪系统的基本组成
而产生一个差频,这个差频就是中频。如要接收的信号是900KHz.本振频率
是1365KHz.两频率混合后就可以产生一个465KHZ，接收机中用LC电路选择
465KHZ作为中频信号.因为本振频率比外来信号高465KHz所以叫超外差
特点
1, 对振荡频率的选取有要求;要求振荡器的振荡频率和幅度精度高,稳
定性好;
v0 vp
跟踪中，天线的运动分为搜索步和调整步两种。
搜索步和调整步分开的情况； “同一步”式工作原理。
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4. 伺服跟踪分系统
自动跟踪方式原理介绍
(1)步进式跟踪：
步进式跟踪系统的跟踪接收机：下变频器，锁相环路以及
自动增益控制电路(AGC)组成锁相式接收机。消除因信标频率
漂移引起解调后信标电平的起伏使输出真实反映天线位置的
功率，利用环行器从信号回路取出功率，构成对信号的单端口放大器，
由于输入输出在同一个端口，也称反射型参量放大器。
差频回路称空闲回路必须存在，泵浦能量首先转换为差频能量，
又转换成信号能力。优点是具有低噪声，但缺点是频带窄，结构复杂，
存在潜在不稳定。
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低噪声放大器特性
v0 vp
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冷参放大器
v0 vp
1000MHz)，然后从此高中频变到微波频率6GHz.
优点：调整方便，易于实现宽带要求。
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缺点：电路较为复杂，适用于大容量的大中型地球站。
上变频器的两种方案
二次变频公式
v0 vp
二次变频频谱变换 频率要满足的约束条件
选择第二中频大于上行频谱宽度500MHz容易作到，总是将下边带设
计位于BPF2带宽之外，BPF2只覆盖整个上行频率，上行载波频率
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关键部件：(4) 高功率放大器的功率合成
v0 vp
用平衡电路进行功率合成
能产生较大功率，并提高了系统的可靠性；注意：高功放不能
输出大于P0的功率，输入控制在P0/G以下；要考虑相位误差的影
响。
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关键部件：(5) 高功放的非线性补偿
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一种预失真线性器电路
非线性预失真电路的特性补偿
的变化只需通过改变第二本振频率，实现不让另一个边带发送，又
能使上边带频率在多个转发器之间快速跳变。
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上变频器的两种方案
变频：非线性混频，取和频或者差频，和频称为上边带上变 频，差频称为下边带上变频，实用中使用和频上变频，这样 电路稳定。
上变频器的输入电平为－10dBW，要求变频器具有大的动
态范围和良好的线性特性。对二次变频，还应适当选择中频
驱动装置：受伺服控制设备控制，带动天线进行俯仰和方位 转动，由驱动电机和一些机械装置组成。
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4. 伺服跟踪分系统
跟踪方式
(1) 手动跟踪：根据预知的卫星轨道位置数据随时间变化的规 律，用人工按时调整天线的指向。用频谱仪或电平表监视。
手动跟踪最简单，用于口径10m以下的天线。
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(2) 程序跟踪：将卫星轨道预报的数据和从天线角度检测器来
v0 vp
高功率放大器的多载波合成 4.77dB耦合器对一个输入臂耦合系数为0.557，而对另一个臂的耦 合系数为0.816(1.76dB)；三个载波合成时，采用上图对三个载波的功 率损耗都是4.77dB。N个载波合成时需要N-1个定向耦合器，功率损耗 为10lgNdB。
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关键部件：(3) 高功率放大器的多载波合成
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本机振荡器(泵源)
Ka频段锁相倍频例子
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参考信号：晶振输出10MHz，VCO输出7.5 0.25GHz。
频率控制由编码开关实现，输出信号经4倍频得到29～ 31GHz的毫米波信号。
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3. 低噪声接收机分系统的组成
超外差接收机本机振荡器产生的高频电磁波与所接收的高频信号混合
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关键部件：(5) 高功放的非线性补偿
v0 vp
前馈电路原理图及各点频谱图
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上变频器的两种方案
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一次变频：从中频70MHz直接变频到6GHz。 优点：设备简单，组合频率干扰少。 缺点：中频带宽有限，不利于宽带系统实现，适用于小型站。
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上变频器的两种方案
v0 vp
二次变频：从中频70MHz变到较高的中频(700MHz或
伺服跟踪分系统
系统的作用 跟踪系统组成 跟踪方式
6
1.天线馈线分系统组成
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关键部件：喇叭抛物面天线
8
关键部件：卡塞格伦天线
9
关键部件：偏馈天线
10
关键部件：馈源 (1) 喇叭馈源 (2) 正交极化馈源
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来自百度文库
关键部件：馈源 (3) 波束波导馈源
12
关键部件：正交模耦合器
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2,本振频率中有锁相环,数字分频、数字鉴相器等电路，保证极高的稳
定度,否则会产生本振频率漂移;
3,一般采用稳定性好的晶体振荡器
4. 接收高低端电台灵敏度一致；
5. 中频滤波器容易作，选择性好；
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6. 系统增益被分配到高频，中频和基带，灵敏度高。
3. 低噪声接收机分系统的组成
v0 vp
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3. 低噪声接收机分系统的组成
的天线位置角度一并输入计算机，计算机对这些数据进行处理，
运算，比较，得出卫星轨道和天线实际角度在标准时间内的角度
差值，将其送入伺服回路，驱动天线，消除误差角。
很难计算出长时间精确轨道数据，手动跟踪和程序跟踪不能 对天线连续地精确跟踪。
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4. 伺服跟踪分系统
跟踪方式
(3) 自动跟踪：根据地球站接收到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。
冷参放大器组成
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常参放大器
v0 vp
4GHz、55K常温参放电 路原理图
参放的ALC电路简化框图
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微波场效应晶体管放大器(FETA)
Te

0.8 T
Td
深度制冷(23K)会带来设备的复杂性，一般采用简单的热电制冷，
使Td为220K～260K， 不制冷在300K。
FETA采用级联方式，前面按低噪声设计，中间按最大增益设计，