清华星载多波束技术

1、清华大学清华大学中国空间技术研究院中国空间技术研究院 通信卫星事业部通信卫星事业部2010年年8月月25日，北京日，北京清华大学 王京v 星上单馈源对应单波束形成多波束技术v 星上数字/模拟波束形成技术v 地基波束形成技术v 总结与展望清华大学 王京v每个馈源放置在天线的焦点上 直接经由天线反射面辐射形成单波束 多个馈源（阵）放置在天线的不同焦点上构成多波束v宽带卫星通信系统中应用广泛v优点：最简单最直接 多用于星上资源相对紧张的情况 避免复杂的波束形成网络 避免额外的馈电链路带宽及复杂的相位校准v缺点 难以形成大规模的波束数目 远离焦点的馈源对反射面照射效率较低清华大学 王京v Anik-F

2、2，2004.7.18发射 美国波音公司研制，45个单馈源形成的Ka点波束v Wildblue-1，2006.12.8发射 劳拉公司研制，35个单馈源形成的Ka点波束v IPSTAR，2005.8.11发射 劳拉公司研制 Ku频段84个单馈源形成的点波束 Ka频段18个单馈源形成的点波束v WINDS，2008.2.23发射 卫星由洛马公司研制 1副多波束天线由9个单馈源形成的固定点波束，覆盖日本国内 1副多波束天线由10个单馈源形成固定点波束，覆盖东南亚及周边地区v Ka-Sat，预计2010.11-2011.1之间发射 EADS Astrium公司研制，82个单馈源形成的Ka点波束清华大学

3、 王京v 大型反射面及馈源阵列在轨展开技术；v 紧凑、高增益、低旁瓣馈源设计；v 馈源阵列排布优化技术；v 降低馈源间互耦效应的相关技术；v 通过极化正交和降低旁瓣电平增加频率复用技术；v 按需调整波束覆盖区在轨重构技术。清华大学 王京Page 6v 对多馈源信号分别进行移相加权在轨合成多个波束 模拟或者数字处理v 不同的天线技术 多波束反射面天线 多在静止轨道大型通信卫星上采用 多波束直接辐射阵列(或称多波束相控阵天线) 多在中低轨道通信卫星上采用 多波束透镜天线 由于比反射面天线复杂，目前主要用于地面清华大学 王京Page 7v优点优点 可形成更多的波束可形成更多的波束 提高通信容量提高通

4、信容量 提高提高EIRP和和G/T值值 可灵活调整可灵活调整v缺点：缺点： 波束形成网络（波束形成网络（BFN）复杂）复杂 技术难度较高技术难度较高清华大学 王京v模拟波束形成 Globalstar 直接辐射平面阵列结构有源相控阵天线 91个发射/61个接收辐射单元，形成16个波束 日本ETS-VIII（kiku-8） 2006.12.18发射 收发各一面19.2m16.7m天线，等效孔径13m 每副天线由14 个独立的、呈正六边形的模块组成 采用MMIC形成多波束，31个固态功放，31个低噪声放大器 星上波束成形网络可形成多个可移动和可控形状的点波束 可进行固定、移动和多媒体通信及卫星定位等

5、试验ETS-VIII卫星清华大学 王京v 数字波束形成（DBF） 相比于模拟技术的优点：不漂移、不老化、工作可靠、可自检、可编程、精度高 Thurary系统3颗GEO卫星由波音公司制造 Thurary-1（2000.10.20） Thurary-2（2003.6.10） Thurary-3（2008.1.15）采用先进的数字波束形成技术星载天线12.25m16m，128个馈源产生250300个在轨可重定向点波束 ACeS系统（亚洲蜂窝卫星系统）GEO卫星，洛克马丁公司制造 Garuda-1（2000.2.12），计划中的Garuda-2被取消两副88馈源阵12米口径天线140个通信点波束和8个

6、可控点波束 Inmarsat-43颗GEO卫星，由EADS Astrium公司制造9米口径星载天线，120个馈源1个全球波束，19个宽点波束，228个窄点波束ACeSThuraya清华大学 王京Page 10v模拟波束形成关键技术 多通道幅相校准技术 各通道相位及幅度误差校准各通道相位及幅度误差校准 高可靠、小型化技术 MMICMMIC（单片微波集成电路技术）（单片微波集成电路技术） 抗辐照、易老化和漂移v数字波束形成关键技术 数字波束形成ASIC实现技术 FPGAFPGA向专用芯片技术转化向专用芯片技术转化 波束在轨校准技术 校准各波束指向精度校准各波束指向精度清华大学 王京三、地基波束形成

7、技术三、地基波束形成技术v 应用场景星上信道化、透明转发通过地面关口站形成波束，实现对服务区的多波束覆盖v 优点简化了卫星有效载荷的设计复杂度提供了波束形成的灵活性降低风险v 缺点无法支持单跳业务清华大学 王京v TDRS：美国用于跟踪包括航天飞机在内的地球轨道飞行器并将数据传回地球的中继卫星系统，其S频段载荷最早应用了类地基波束形成技术，用于多址星间链路，该技术称为Adaptive Ground Implemented Phased Array（AGIPA）。v ICO G1：北美首颗S频段移动多媒体广播卫星，于2008年4月发射。卫星由劳拉公司研制，采用LS-1300平台。ICO G1卫星

8、是首颗采用GBBF技术的在轨卫星，可以构成250个发送及250个接收的S频段波束。v TerreStar-1劳拉公司制造，2009年7月1日发射用于北美地区的移动通信第一次采用双向GBBF系统（two way GBBF）基于地面校准和波束形成星载天线口径18.28米产生500多个点波束可以覆盖美国大陆50个州，加拿大，阿拉斯加，夏威夷，波多黎各和美国的维尔京群岛。 清华大学 王京Page 13v 地基波束形成（GBBF）技术主要组成部分地基波束形成波束地基校准地面校准信标在轨波束校准v 载荷关键技术数字信道化技术波束在轨校准技术高可靠、小型化技术v 地面关键技术地基波束形成技术地基波束校准技术

9、星地信道估计技术清华大学 王京Page 14引入可重构技术引入可重构技术 卫星有效载荷软件化卫星有效载荷软件化v 星载多波束天线能够有效提高系统容量和性能，是有效载荷的关键技术之一星载多波束天线能够有效提高系统容量和性能，是有效载荷的关键技术之一v 在基于静止轨道卫星的卫星移动通信系统中，大型可展开多波束天线的口径在基于静止轨道卫星的卫星移动通信系统中，大型可展开多波束天线的口径越来越大，波束数目不断增加越来越大，波束数目不断增加v 波束形成技术从模拟向数字发展，波束形成技术从模拟向数字发展，DBF代表着主流的技术发展方向代表着主流的技术发展方向v 由于由于规模较大，必须在集成电路技术方面取得突破，以克服体积、重量、功规模较大，必须在集成电路技术方面取得突破，以克服体积、重量、功耗限制问题耗限制问题v 未来卫星有效载荷软件化：通过引入可重构技术，结合星上处理交换未来卫星有效载荷软件化：通过引入可重构技术，结合星上处理交换 ，支持，支持动态调整与重配置，提高系统性能和灵活性动态调整与重配置，提高系统性能和灵活性v 与与WGS卫星柔性数字信道化器的灵活透明转发类似，