微波工程基础甘仲民

1、12006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训2 1. 1. 前言前言 2. 2. 微波传播微波传播 3. 3. 微波天线微波天线 4. 4. 微波收、发信机技术微波收、发信机技术 5. 5. 小结小结 2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训34电（通）信：利用有线电、无线电、光学或其他电（通）信：利用有线电、无线电、光学或其他电磁系统的，对于符号、信号、文字、影象、声电磁系统的，对于符号、信号、文字、影象、声音或任何性质的信息传输，发射或接收。音或任何性质的信息传输，发射或接收。4由于基带（话音、图象、数据等）信号的频谱全由于基带（话音、图象、数据等）信号的频谱全都延伸到很低的频率范围

2、，根据电波传播理论，都延伸到很低的频率范围，根据电波传播理论，无线电通信只能在高频范围内实现。无线电通信只能在高频范围内实现。4在无线电通信中，通过调制，在无线电通信中，通过调制，将基带信号将基带信号“寄托寄托”在某一高（射）频上，形成射频信号，以电磁在某一高（射）频上，形成射频信号，以电磁波形式向空间辐射传播。波形式向空间辐射传播。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训41.1 1.1 卫星通信中微波的地位与作用卫星通信中微波的地位与作用 卫星通信是一种无线电通信。无线电通信是通过卫星通信是一种无线电通信。无线电通信是通过空间电磁波传递信息的通信方式。空间电磁波传递信息的通信方式。 按

3、波长划分，无线电波分为长波、短波、超短按波长划分，无线电波分为长波、短波、超短波、微波波、微波等。等。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训5图1.3100002006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训6微波微波：波长：波长1 1m m 1mm 1mm；频率频率300300MHz MHz 300GHz 300GHz特点特点：4类似光的特性（波长越短，越接近直线传播）；类似光的特性（波长越短，越接近直线传播）；4穿越电离层的透射特性（穿越电离层的透射特性（1 101 10GHzGHz为最佳的为最佳的“无无线电窗口线电窗口”）；）；4宽频带；宽频带；4“天然的天然的”抗低频干扰特性（不受自

4、然界如雷电抗低频干扰特性（不受自然界如雷电、人为如家电的干扰）。、人为如家电的干扰）。 结论：微波是最适合于卫星通信的无线电波结论：微波是最适合于卫星通信的无线电波2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训74UHFUHF（1000MHz)1000MHz)4L L波段波段(1.5 1.6(1.5 1.6GHz)GHz)4S S波段波段(2.5 2.6(2.5 2.6GHz)GHz)4C C波段波段(4/6(4/6GHz,GHz,带宽带宽800800M Hz)M Hz)4K KU U波段波段(11/14,12/14(11/14,12/14GHz,GHz,带宽带宽800800M Hz)M Hz)

5、4K Ka a波段波段(20/30(20/30GHz)GHz)4Ka/Ka/毫米波毫米波(20/40(20/40GHz,50/60GHz)GHz,50/60GHz)2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训84辐射和辐射和/ /或接收电磁波的装置（天线）；或接收电磁波的装置（天线）；4传送（导行）电磁波的装置（波导、同轴线等传传送（导行）电磁波的装置（波导、同轴线等传输线）；输线）；4产生微波信号并进行调制（解调）、频率变换、产生微波信号并进行调制（解调）、频率变换、放大等处理的微波收、发设备；放大等处理的微波收、发设备；4微波测量设备（微波信号源、频谱仪、功率计、微波测量设备（微波信号源、

6、频谱仪、功率计、微波网络分析仪等）；微波网络分析仪等）；4基础：微波有、无源元器件、微波集成电路基础：微波有、无源元器件、微波集成电路2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训92006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训102006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训112.12.1微波的自由空间传播微波的自由空间传播 电磁波从波源出发，在自由空间向四周传播。在电磁波从波源出发，在自由空间向四周传播。在某一时刻，将其到达的各点连成的面称波前或波某一时刻，将其到达的各点连成的面称波前或波阵面；相位相同的点连成的面，称同相面或波面阵面；相位相同的点连成的面，称同相面或波面。波阵面为平面的波称为

7、平面波；波阵面为球面。波阵面为平面的波称为平面波；波阵面为球面的波称为球面波。的波称为球面波。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训122006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训13源点的发射功率为源点的发射功率为PT，在距在距R处，该功率将处，该功率将均匀分布在半径为均匀分布在半径为R的球面上。接收天线面的球面上。接收天线面积为积为AR时，只收集到其中很小一部分功率。时，只收集到其中很小一部分功率。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训14电离层电离层雨云雨云大气大气太阳太阳噪声噪声噪声噪声2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训152.2.1 2.2.1 大气的影响大气的

8、影响 微波通过大气层时，其能量将有部分被大气层中微波通过大气层时，其能量将有部分被大气层中的氧和水蒸汽所吸收，引起微波的衰减。的氧和水蒸汽所吸收，引起微波的衰减。图1.5 大气引起的大气吸收衰减2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训164结论：在结论：在1010GHzGHz以下，大气引起的传播衰减可以忽以下，大气引起的传播衰减可以忽略。略。2.2.2 2.2.2 降雨的影响降雨的影响微波通过雨区时，其能微波通过雨区时，其能量被雨滴吸收而衰减。量被雨滴吸收而衰减。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训172006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训182006卫星通信工程师培训卫星通

9、信工程师培训194降雨损耗（衰减）与降雨强度有关，降雨强度越大，降雨降雨损耗（衰减）与降雨强度有关，降雨强度越大，降雨损耗（衰减）越大；损耗（衰减）越大；4降雨损耗（衰减）与微波信号通过的雨区有效长度有关。降雨损耗（衰减）与微波信号通过的雨区有效长度有关。降雨区域大小一定时，地球站的仰角越低，降雨损耗（衰降雨区域大小一定时，地球站的仰角越低，降雨损耗（衰减）越大；减）越大；4对于相同的降雨强度和地球站的仰角，工作频率越高，降对于相同的降雨强度和地球站的仰角，工作频率越高，降雨损耗（衰减）越大；雨损耗（衰减）越大；4不同地区，强的降雨强度出现的概率不同，通常用年均和不同地区，强的降雨强度出现的概

10、率不同，通常用年均和最坏月份出现的概率表示；最坏月份出现的概率表示；4克服雨衰影响的措施通常是增加发射功率（降雨备余量）克服雨衰影响的措施通常是增加发射功率（降雨备余量），要求通信的可用度越高，所需降雨备余量越大。，要求通信的可用度越高，所需降雨备余量越大。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训20 太阳、星球和宇宙中的各种粒子，都是客观存在太阳、星球和宇宙中的各种粒子，都是客观存在的噪声源，它们所产生的微波频段的噪声，会对的噪声源，它们所产生的微波频段的噪声，会对卫星通信信号造成干扰。卫星通信信号造成干扰。此外，大气层中的氧此外，大气层中的氧和水蒸汽也会对各种和水蒸汽也会对各种微波能量

11、产生吸收衰微波能量产生吸收衰减和散射，从而产生减和散射，从而产生噪声。噪声。各种噪声影响用噪声各种噪声影响用噪声温度表示。温度表示。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训21银河系噪声区低噪声区对流层噪声区氧共振 60GHz水蒸气共振22.2GHz天线噪声温度，K图12.2 一个理想地面天线的不可再简化的噪声温度。假设天线具有非常窄的波束，没有旁瓣或电气损耗。在1GHz以下频段，最大值是指波束指向银河极的情况。在较高的频段，最大值是指波束指向刚刚高于地平线的方向，而最小值是指波束指向天顶。110GHz频段的低噪声区是最适用于特殊的低噪声天线。（摘自 Philip F. Panter, “

12、Communications Systems Design,” McGraw-HillBook Company, New York, 1972. 获得许可。）2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训22(2)(2)降雨噪声降雨噪声：雨滴对微波信号产生吸收和散射，从：雨滴对微波信号产生吸收和散射，从而形成噪声。所产生的而形成噪声。所产生的 噪声温度与微波通过的噪声温度与微波通过的 雨区长度有关，也即与雨区长度有关，也即与 地球站仰角有关。地球站仰角有关。 云、雾等也有类似的效云、雾等也有类似的效 应。应。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训234降雨噪声与降雨强度有关，降雨强度越大，

13、降雨噪声越大降雨噪声与降雨强度有关，降雨强度越大，降雨噪声越大；4降雨噪声与微波信号通过的雨区有效长度有关。降雨区域降雨噪声与微波信号通过的雨区有效长度有关。降雨区域大小一定时，地球站的仰角越低，降雨噪声越大；宇宙和大小一定时，地球站的仰角越低，降雨噪声越大；宇宙和大气噪声与地球站仰角也有类似的关系；大气噪声与地球站仰角也有类似的关系；4对于相同的降雨强度和地球站的仰角，工作频率越高，宇对于相同的降雨强度和地球站的仰角，工作频率越高，宇宙大气及降雨噪声越大；宙大气及降雨噪声越大；2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训244引起衰减引起衰减4增加增加下行链路下行链路系统噪声温度系统噪声温度

14、4引起电波极化改变引起电波极化改变2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训25电场和磁场都是随时间变化的函数，电场和磁场都是随时间变化的函数，电磁波在传播电磁波在传播过程中，其电场矢量末端轨迹曲线形状决定电磁过程中，其电场矢量末端轨迹曲线形状决定电磁波的波的极化极化方式。方式。线极化线极化电磁波的电场矢量末端轨迹曲线是一直电磁波的电场矢量末端轨迹曲线是一直线。线。垂直极化：垂直极化：电场方向与地球表面垂直；电场方向与地球表面垂直；水平水平极化：极化：电场方向与地球表面平行。电场方向与地球表面平行。 2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训26（IEEE）定义定义右旋圆右旋圆（RHC）极

15、化极化为：当为：当沿着电波传播方向看去，沿着电波传播方向看去，即从即从“后面后面”看去，电场看去，电场旋转方向是顺时针的旋转方向是顺时针的；左左旋圆旋圆（LHC）极化极化：当沿着电波传播方向看去，当沿着电波传播方向看去，电场旋转方向是逆时针的，电场旋转方向是逆时针的，LHC和和RHC极化是正交的，极化是正交的，电波传播的方向是沿着电波传播的方向是沿着 z轴。轴。 IEEE 定义视角 IEEE 定义视角 经典光学视角 经典光学视角 2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训27左旋圆极化波的左旋圆极化波的电场矢量随时间电场矢量随时间沿传播方向的变沿传播方向的变化化2006卫星通信工程师培训卫星

16、通信工程师培训284降雨时雨滴呈椭球形，风和其他动态应力，引起降雨时雨滴呈椭球形，风和其他动态应力，引起雨滴以某些随机分布的角度旋转，结果，通过雨雨滴以某些随机分布的角度旋转，结果，通过雨层时不同极化的电波引起的极化旋转角度不同；层时不同极化的电波引起的极化旋转角度不同；4后果之一：电波后果之一：电波( (信号信号) )因极化偏转，与接收天线因极化偏转，与接收天线在晴空下的极化面失配而受损；在晴空下的极化面失配而受损；4后果之二：不同后果之二：不同( (正交正交) )极化的其他信号的一部分极化的其他信号的一部分分量进入接收天线而成为干扰噪声。分量进入接收天线而成为干扰噪声。2006卫星通信工程

17、师培训卫星通信工程师培训293.1 3.1 面天线的工作原理面天线的工作原理 为充分而有效地利用微波信号功率，即将其为充分而有效地利用微波信号功率，即将其发送给位于某一方向上的接收者，天线应做成定发送给位于某一方向上的接收者，天线应做成定向发射和接收的。向发射和接收的。 为获得定向辐射，在较高的微波频率（如高为获得定向辐射，在较高的微波频率（如高于于4 4GHzGHz），），一般采用面天线结构。因波长甚短，一般采用面天线结构。因波长甚短，具有类似于光波特性，可用几何光学原理来说明具有类似于光波特性，可用几何光学原理来说明微波天线的工作原理。微波天线的工作原理。 2006卫星通信工程师培训卫星通

18、信工程师培训30 借鉴探照灯原理：利用抛物面反射镜焦点上的光源发借鉴探照灯原理：利用抛物面反射镜焦点上的光源发出的光线经镜面反射后集中射向远方。据此，在微波技术出的光线经镜面反射后集中射向远方。据此，在微波技术中，可用金属抛物面来形成强的定向辐射。中，可用金属抛物面来形成强的定向辐射。 借鉴光学中的透镜原理，在微波领域，也可利用介质借鉴光学中的透镜原理，在微波领域，也可利用介质制作成透镜天线（双面透镜和球形透镜）。制作成透镜天线（双面透镜和球形透镜）。 2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训31常用的有：常用的有：(1)(1)天线增益：天线在给定方向上每单位立体角内辐射出的功天线增益：天

19、线在给定方向上每单位立体角内辐射出的功率与输入功率相同的各向同性天线在每单位立体角内辐射率与输入功率相同的各向同性天线在每单位立体角内辐射功率之比。功率之比。 224DAGA为天线实际口面面积（D为口面直径）；为天线效率；为工作波长。(2)波瓣宽度：从辐射峰值点向轴两侧下降波瓣宽度：从辐射峰值点向轴两侧下降3dB 点的角宽度点的角宽度GGlog10(dB)2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训32)(7021度D2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训334(3)旁瓣特性：天线方向图主瓣以外的瓣为旁瓣。旁瓣特性：天线方向图主瓣以外的瓣为旁瓣。旁瓣应抑制到尽可能低的水平（低旁瓣电平）。

20、旁瓣应抑制到尽可能低的水平（低旁瓣电平）。(4)天线噪声：由空间地面进入天线及天线自身天线噪声：由空间地面进入天线及天线自身所产生的噪声。所产生的噪声。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训34d2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训35结构：横截面可为圆形或矩形，有的内部为结构：横截面可为圆形或矩形，有的内部为波纹结构。从波导到开口面横截面尺寸逐渐波纹结构。从波导到开口面横截面尺寸逐渐变大。口面越大，方向性越强。变大。口面越大，方向性越强。可参照声学喇叭理解其工作原理。可参照声学喇叭理解其工作原理。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训36 抛物面天线抛物面天线抛物面天线是

21、指带有旋转抛物抛物面天线是指带有旋转抛物面作为反射面的微波天线。反面作为反射面的微波天线。反射面由金属板或金属网制成。射面由金属板或金属网制成。初级辐射器放在抛物面的焦点初级辐射器放在抛物面的焦点上。由此辐射的射线到达抛物上。由此辐射的射线到达抛物面后经反射形成平行射线，即面后经反射形成平行射线，即定向辐射。定向辐射。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训372006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训382006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训392006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训40由主、副反射面和馈源喇由主、副反射面和馈源喇叭构成，通过二次反射辐叭构成，通过二次反射辐

22、射或接收电磁波。射或接收电磁波。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训412006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训422006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训434作用：收发共用一部天线作用：收发共用一部天线4基本组成：基本组成：4收、发信号之间的分隔：收、发信号之间的分隔：收、发极化波的正交性；收、发极化波的正交性；收、发频段滤波器收、发频段滤波器混合混合接头接头接收滤接收滤波器波器发射滤发射滤波器波器馈源喇叭馈源喇叭接收机接收机发射机发射机2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训44LNASSPA双工器双工器2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训45 利用同一主反射

23、面同时产生多个不同指向波利用同一主反射面同时产生多个不同指向波束的天线。一般是将一组馈源初级辐射器放置在束的天线。一般是将一组馈源初级辐射器放置在抛物面的焦点处，其中一个馈源精确地位于焦点抛物面的焦点处，其中一个馈源精确地位于焦点上，其余则是偏焦的，由此而得到不同指向的多上，其余则是偏焦的，由此而得到不同指向的多波束。波束。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训462006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训474这种天线是通过控制阵列天线辐射单元的馈电相这种天线是通过控制阵列天线辐射单元的馈电相位来实现位来实现波束在一定空域内扫描波束在一定空域内扫描，或形成，或形成多波束多波束，或实现

24、，或实现赋形覆盖赋形覆盖，或，或自适应调零抗干扰自适应调零抗干扰。辐射器辐射器可变移相器可变移相器波束形成波束形成网络网络2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训484由多个辐射器（阵元）组成的天线阵，其总的方由多个辐射器（阵元）组成的天线阵，其总的方向图是由所有阵元的方向图叠加而得。利用可变向图是由所有阵元的方向图叠加而得。利用可变移相器改变各阵元间输入信号的相位，可改变天移相器改变各阵元间输入信号的相位，可改变天线方向图的主瓣指向。线方向图的主瓣指向。(a)等幅同相激励等幅同相激励(b)等幅、各阵元相位依次滞等幅、各阵元相位依次滞后后90度激励度激励2006卫星通信工程师培训卫星通信工

25、程师培训492006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训502006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训51全球覆盖全球覆盖（理论上为理论上为地球表面积的地球表面积的1/3）2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训522006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训53所谓赋形波束覆盖，是所谓赋形波束覆盖，是指卫星天线系统通过波指卫星天线系统通过波束形成网络产生与地面束形成网络产生与地面通信区域形状相匹配的通信区域形状相匹配的天线波束，即该波束在天线波束，即该波束在地球表面上的地球表面上的“足印足印”恰好重合覆盖在一定表恰好重合覆盖在一定表面形状的通信区域上。面形状的通信区域上。2006卫星通

26、信工程师培训卫星通信工程师培训542006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训55Spaceway的多波束覆盖的多波束覆盖2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训562006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训572006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训584采用不同射频产生点波束所需天线口径采用不同射频产生点波束所需天线口径 6GHz 14.25GHz 17.5GHz 30GHz3dB波束宽度为波束宽度为0.70( 覆 盖 地 面 直 径覆 盖 地 面 直 径476km) 5.0m 2.1m 1.7m 1.0m3dB波束宽度为波束宽度为0.50( 覆 盖 地 面 直 径覆 盖 地 面

27、 直 径340km) 7.0m 2.94m 2.4m 1.4m2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训592006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训604 4.1.1微波接收机微波接收机4.1.1 4.1.1 卫星接收机卫星接收机4作用：接收来自地球站发来的射频信号，（作用：接收来自地球站发来的射频信号，（经变经变频或其他处理，然后再放大到足够高的功率电平频或其他处理，然后再放大到足够高的功率电平，通过天线发回地面，通过天线发回地面）。4特点：特点： ( (a)a)低噪声性能。来自地球的热噪声和接收机内部低噪声性能。来自地球的热噪声和接收机内部的噪声，是制约接收灵敏度的因素，当卫星接收天

28、的噪声，是制约接收灵敏度的因素，当卫星接收天线尺寸一定时，应尽可能减少接收机的内部噪声，线尺寸一定时，应尽可能减少接收机的内部噪声，以保证接收系统具有足够高的灵敏度。以保证接收系统具有足够高的灵敏度。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训61 ( (b)b)高增益。从地球站发来的信号，经约高增益。从地球站发来的信号，经约4000040000公公里的传输到达卫星时，因巨大的自由空间传播衰减里的传输到达卫星时，因巨大的自由空间传播衰减和其他衰减，变得极其微弱，要放大到足够高的电和其他衰减，变得极其微弱，要放大到足够高的电平再转发回地面，除收、发天线增益外，要求卫星平再转发回地面，除收、发天线

29、增益外，要求卫星转发器具有很高的增益（如转发器具有很高的增益（如100130100130dBdB或更高）。或更高）。 ( (c c）宽频带。早期的通信卫星，所有转发器接收宽频带。早期的通信卫星，所有转发器接收机前端是共用一部低噪声放大器（机前端是共用一部低噪声放大器（LNALNA），这要求，这要求LNALNA能覆盖卫星系统的上行带宽能覆盖卫星系统的上行带宽( (如如C C波段为波段为500500MHz);MHz);目前因星上转发器一般数量较多目前因星上转发器一般数量较多, ,故使用多套故使用多套LNALNA，每一每一LNALNA覆盖若干部转发器。覆盖若干部转发器。2006卫星通信工程师培训卫星

30、通信工程师培训62( (d)d)小型化。星上有效载荷体积重量受限，故接收小型化。星上有效载荷体积重量受限，故接收机应尽量小型化。机应尽量小型化。4基本组成（基本组成（含接收机和发射机）含接收机和发射机）分分路路器器合合路路器器本振本振fLfUfDLNA混频器混频器激励器激励器功放功放C波段波段fU - - 2225MHz = fD2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训632006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训644）金属金属半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（MESFET） 与普通的微波双极晶体管相比，与普通的微波双极晶体管相比，MESFET（以下以下简称简称FET）能工作于更

31、高的频率，是因为管子利能工作于更高的频率，是因为管子利用了砷化镓用了砷化镓(GaAs)半导体材料。管子有源、漏和半导体材料。管子有源、漏和栅极。在栅极上，与普通的双极晶体管不同，它栅极。在栅极上，与普通的双极晶体管不同，它不是利用不是利用P型和型和N型半导体连接构成型半导体连接构成PN结，而是利结，而是利用金属与半导体直接接触，形成所谓肖特基势垒用金属与半导体直接接触，形成所谓肖特基势垒。在这种势垒结中，只有多数载流子参与导电。在这种势垒结中，只有多数载流子参与导电。在这里，半导体材料是在这里，半导体材料是N型砷化镓，结中的多数载型砷化镓，结中的多数载流子是电子。电子在流子是电子。电子在N型砷

32、化镓中迁移率比起锗、型砷化镓中迁移率比起锗、硅中载流子迁移率要高得多。硅中载流子迁移率要高得多。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训652006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训66半导体材料为半导体材料为N型砷化镓型砷化镓(GaAs)2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训674漏漏- -源间加正向偏置，栅源间加正向偏置，栅- -源间加反向偏置。在反源间加反向偏置。在反向偏置作用下，栅下出现耗尽层，压缩了沟道，向偏置作用下，栅下出现耗尽层，压缩了沟道，从源极流出、到达漏极的电子流量受沟道宽窄的从源极流出、到达漏极的电子流量受沟道宽窄的影响，反向偏置影响，反向偏置( (绝对值绝对

33、值) )大，沟道变窄，电流小大，沟道变窄，电流小；反之电流大，小的；反之电流大，小的 控制栅压会引起大控制栅压会引起大 的漏电流的变化，的漏电流的变化， 即输入到栅即输入到栅- -源间小源间小 的微波信号，在漏的微波信号，在漏- -源源 回路得到放大。回路得到放大。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训682006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训694这种管子用作这种管子用作LNA时，其最小噪声系数时，其最小噪声系数NF近似为近似为 Nfmin=1+P(f/fT ) 普通晶体管普通晶体管 Nfmin=1+B（f/fT)24式中，式中，f f为工作频率，为工作频率，f fT T为特征频

34、率（电流放大系为特征频率（电流放大系数为数为1时的频率），时的频率），P P、B B为与管子尺寸、偏置等有为与管子尺寸、偏置等有关的系数。由上式可见，关的系数。由上式可见，f fT T越高，放大器的噪声系越高，放大器的噪声系数越低；而电子迁移率越高，管子的栅长越短，数越低；而电子迁移率越高，管子的栅长越短，即电子通过栅下沟道的渡越时间越短，则即电子通过栅下沟道的渡越时间越短，则f fT T越高。越高。按照现代工艺水平，栅长可做到十分之几微米级按照现代工艺水平，栅长可做到十分之几微米级。其。其f fT T比普通晶体管高得多，低噪声性能好！比普通晶体管高得多，低噪声性能好！ 2006卫星通信工程师

35、培训卫星通信工程师培训70 性能更好的或新型的微波低噪声晶体管性能更好的或新型的微波低噪声晶体管4高电子迁移率晶体管（高电子迁移率晶体管（HEMTHEMT）4异质结双极晶体管异质结双极晶体管2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训714根据低噪声接收理论，接收机中越靠近输入端的根据低噪声接收理论，接收机中越靠近输入端的放大器，产生的噪声对接收机的影响越大。放大放大器，产生的噪声对接收机的影响越大。放大器的噪声大小是用噪声系数或等效噪声温度来衡器的噪声大小是用噪声系数或等效噪声温度来衡量的：量的：01TTNFe01log10TTNFe或或outinNSNSNFdBNF/log10log10)

36、(S/N)in、(S/N)out分别为放大器组输入、出信噪比，分别为放大器组输入、出信噪比，To为为室温室温(290K)；Te为放大器的等效噪声温度。为放大器的等效噪声温度。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训724通常通常LNALNA由多级放大器级联而成由多级放大器级联而成TeTe1GLNA1Te2GLNA2Te3GLNA3213121LNALNAeLNAeeeGGTGTTT例：例：6GHz接收机接收机LNA由三级级联，每级增益为由三级级联，每级增益为10dB，噪声温度分别为噪声温度分别为Te1=30K、Te2=50K、Te3=80K。代入上代入上式求得式求得Te=35.8K2006

37、卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训73LF，T0馈线馈线低噪声低噪声接收机接收机TATRTA 天线噪声温度天线噪声温度LA 馈线损耗馈线损耗T0 室温室温TR 接收机等效噪声温接收机等效噪声温度度TS（系统噪声温度）系统噪声温度）A由于馈线损耗（发热）而产生噪声温度，令由于馈线损耗（发热）而产生噪声温度，令TLi为馈线输入端（为馈线输入端（A点）等效噪声温度，点）等效噪声温度，TLi = (LF-1)T0在参考点在参考点A的系统总噪声温度的系统总噪声温度 TS = TA+TLi+LFTR或或 TS= TA+ (LF-1)T0 + LFTR 在在B点点 TS = TS/LF=TA/LF+(1-

38、1/LF)T0+TR B2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训744在接收机输入端在接收机输入端( (B B点点) )，馈线产生的噪声温度为，馈线产生的噪声温度为 TL=(1-1/LF)T0 LF=10log10LF TL= (1-10-LF/10 )T0 (ln10/10)LFT0 当当T0=290K时，可得时，可得 TL0 66.7LF4LF=0.1dB, TL = 6.67K4LF=0.2dB, TL = 13.34K2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训754定义：接收天线增益定义：接收天线增益( (G GR R) )与接收系统噪声温度与接收系统噪声温度( (T)T)之比。

39、常用对数表示（之比。常用对数表示（ G/T=10logG/T dB/K)G/T=10logG/T dB/K)。 T= T=外部噪声温度外部噪声温度+ +内部噪声温度内部噪声温度 计算公式：计算公式：G/T=GG/T=GR R dBdB-T-TdBdB （dB/K)dB/K)4意义：表征接收系统的接收灵敏度。意义：表征接收系统的接收灵敏度。 例例 卫星天线增益卫星天线增益 G GR R=24dB=24dB，T T外外=254=254K K，T T内内=35.8=35.8K K 解解 T=254+35.8 = 289.8K(T=24.6dB)T=254+35.8 = 289.8K(T=24.6dB

40、) G/T= 24-24.6 = -0.6dB/K G/T= 24-24.6 = -0.6dB/K 2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训764作用：接收通信对方通过卫星转发的射频信号，作用：接收通信对方通过卫星转发的射频信号，经某些处理（如放大、变频、滤波分路等），送经某些处理（如放大、变频、滤波分路等），送到后级进行解调、解码等，还原出基带信息，送到后级进行解调、解码等，还原出基带信息，送给用户终端。给用户终端。4特点：与卫星接收机类同。特点：与卫星接收机类同。4基本组成：基本组成：滤波器滤波器分分路路器器滤波器滤波器分分路路器器滤波器滤波器解调、解码解调、解码器器本振本振本振本振L

41、NA(分出转发器分出转发器)(分出载波分出载波)2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训772006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训784.2.14.2.1卫星发射机卫星发射机4作用：是卫星转发器的重要组成部分，其基本作作用：是卫星转发器的重要组成部分，其基本作用是将接收到的地球站信号经变频、放大等处理用是将接收到的地球站信号经变频、放大等处理后通过发射天线发向地面。后通过发射天线发向地面。4基本组成：基本组成：上变频器上变频器激励器激励器功放功放馈线馈线2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训794特点：特点：（1 1）长寿命；）长寿命；（2 2）高可靠性；）高可靠性；（3 3）

42、尽可能高的效率）尽可能高的效率4基本类型：基本类型：（1 1）行波管放大器行波管放大器（TWTATWTA） 能产生能产生10 10 100100W W的射频功率的射频功率, ,产品成熟产品成熟, ,历史悠久；历史悠久；（2 2）固态功率放大器固态功率放大器( (SSPA)SSPA) 典型产品为典型产品为2020W W以以下，上世纪下，上世纪8080年代末开始应用于卫星。年代末开始应用于卫星。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训80 (a) 行波管的原理结构 (b)简化电路图 图 2.96 行波管的原理结构和简化电路图 行波管的基本组成包括：行波管的基本组成包括： （a）电子枪电子枪：其

43、中的灯丝对阴：其中的灯丝对阴极加热，使之发射热电子流，而极加热，使之发射热电子流，而阳极则使从阴极发射出来的电子阳极则使从阴极发射出来的电子加速；加速；（b）慢波结构慢波结构：如螺旋线等；：如螺旋线等；（c）收集极收集极：用于收集阴极发出：用于收集阴极发出的电子流；的电子流； （d）输入、输出接口输入、输出接口：可以是：可以是波导或同轴线，用于微波信号的波导或同轴线，用于微波信号的输入和输出；输入和输出； （e）电子束聚焦装置电子束聚焦装置：可用磁：可用磁或电的方法，常用直流聚焦磁场或电的方法，常用直流聚焦磁场 2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训814螺旋线是一种螺旋线是一种“慢波结

44、构慢波结构”，是使毫米波场和电，是使毫米波场和电子束有效地相互作用所不能缺少的。理论证明，子束有效地相互作用所不能缺少的。理论证明，只有电磁场波的相速略低于电子束的运动速度时只有电磁场波的相速略低于电子束的运动速度时，电子束就能把从直流电源获得的能量转换给毫，电子束就能把从直流电源获得的能量转换给毫米波场，使毫米波得到放大。但是电磁波在真空米波场，使毫米波得到放大。但是电磁波在真空中是以光速传播的，比电子束的运动速度要大得中是以光速传播的，比电子束的运动速度要大得多。金属螺旋线是一种导行波传输系统，电波是多。金属螺旋线是一种导行波传输系统，电波是沿线传播，也就是沿着螺旋线转圈的，而沿螺旋沿线传

45、播，也就是沿着螺旋线转圈的，而沿螺旋线轴向的速度，便是电磁波的相速，当相速等于线轴向的速度，便是电磁波的相速，当相速等于光速的十分之一时，则可以满足上面提出的要求光速的十分之一时，则可以满足上面提出的要求。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训824行波管的工作过程：行波管的工作过程：输入的毫米波信号以输入的毫米波信号以电磁波的形式沿螺旋电磁波的形式沿螺旋线线“行走行走”，电子束，电子束则沿螺旋线的中心轴则沿螺旋线的中心轴向运动。这当中发生向运动。这当中发生了两种作用：一是微了两种作用：一是微波场对电子束的速度波场对电子束的速度调制，一是能量交换调制，一是能量交换作用。作用。 图 2.9

46、7 行波管中由于速度调制引起的电子群聚 2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训834先看速度调制的作用。由图先看速度调制的作用。由图2.97可见，当电子速度与电波的可见，当电子速度与电波的相速相等到时，在某一时刻图中相速相等到时，在某一时刻图中1、2、3处的电子将受到不处的电子将受到不同的电场力的作用：同的电场力的作用：1处的电场强度为零，因此这里的电子处的电场强度为零，因此这里的电子不受力；不受力；2处的电子和处的电子和3处的电子则分别受到加速和减速作用处的电子则分别受到加速和减速作用，向，向1处靠拢，于是引起了群聚。处靠拢，于是引起了群聚。4 其次，若电子速度在未受速度调制时，略大于

47、电磁波相速其次，若电子速度在未受速度调制时，略大于电磁波相速，则仍会产生群聚，但群聚中心将移到，则仍会产生群聚，但群聚中心将移到1、3之间，恰在毫米之间，恰在毫米波的减速场处（见图波的减速场处（见图2.98）微波场便从电子群中获得了能量）微波场便从电子群中获得了能量。 图 2.98 电子速度大于电场速度时的群聚 2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训844随着电子不断地向前运动，毫米波场的能量逐渐随着电子不断地向前运动，毫米波场的能量逐渐增大，增大的毫米波场又进一步使电子束群聚，增大，增大的毫米波场又进一步使电子束群聚，从电子流中吸收更多的能量，壮大自己，结果便从电子流中吸收更多的能量，

48、壮大自己，结果便得到了下图所画的信号放大过程。得到了下图所画的信号放大过程。 2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训852006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训864要指出，螺旋线仅仅是慢波结构中的一种，它适要指出，螺旋线仅仅是慢波结构中的一种，它适用于百瓦级以下的中功率放大。为能承受更大的用于百瓦级以下的中功率放大。为能承受更大的功率，可采用其他的慢波结构如耦合腔等。功率，可采用其他的慢波结构如耦合腔等。 2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训872006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训884突出问题：功率放大器的非线性突出问题：功率放大器的非线性单载波饱和点多载波补偿工

49、作点输入 dBm输出 d Bm图12.7 卫星行波管放大器的输入与输出补偿关系，BOi =BOo +5 dBC/3Iff2f1-f2 f1 f2 2f2 f1 f1 f2 由于功放非线性而产生新的由于功放非线性而产生新的频率分量频率分量互调分量互调分量C/3I 载波载波/三次互调分量比三次互调分量比C/3I越大，线性越好！越大，线性越好！2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训892006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训904定义：定义： EIRP=PEIRP=PT T+G+GT T-L-Lf f （dBWdBW） P PT T=10lgP=10lgPT T， P PT T为发射机功率

50、（为发射机功率（W W） G GT T 发射天线增益（发射天线增益（dBdB） L Lf f 馈线损耗（馈线损耗（dBdB）4物理意义：发射系统（包括发射机和发射天线）物理意义：发射系统（包括发射机和发射天线）的等效发射功率。的等效发射功率。 例例 卫星转发器卫星转发器TWTTWT输出功率输出功率6060W W，发射天线增益发射天线增益2525dBdB，馈线损耗馈线损耗0.60.6dB,dB,求求 EIRPEIRP。 解解 EIRP=10lg60+25-0.8 = 41.98dBWEIRP=10lg60+25-0.8 = 41.98dBW2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训914作用：

51、将已调波经过某些处理（如变频、放大等作用：将已调波经过某些处理（如变频、放大等）之后，传送给天馈系统，发向卫星。）之后，传送给天馈系统，发向卫星。4基本要求：基本要求：（1 1）产生足够大的射频功率，以满足上行链路对信）产生足够大的射频功率，以满足上行链路对信噪比的要求；噪比的要求；（2 2）发射功率控制：应能调节输出功率，在正常情）发射功率控制：应能调节输出功率，在正常情况下保持功率电平的稳定；况下保持功率电平的稳定；（3 3）线性和低杂散辐射；）线性和低杂散辐射；（4 4）频率稳定度高；）频率稳定度高；（5 5）高可靠性和安全性。）高可靠性和安全性。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师

52、培训92（1 1）微波电子管：）微波电子管：行波管；速调管行波管；速调管4输出微波功率几百至几千瓦；输出微波功率几百至几千瓦；4高压供电，电源及保护系统复杂；高压供电，电源及保护系统复杂；4行波管具有宽带性能，可覆盖相应的通信卫星频行波管具有宽带性能，可覆盖相应的通信卫星频段；段；4速调管要按分配的卫星转发器频段调谐速调管要按分配的卫星转发器频段调谐（2 2）微波固态（半导体）器件：）微波固态（半导体）器件：功率场效应晶体管功率场效应晶体管4输出微波功率几瓦至百瓦；输出微波功率几瓦至百瓦；4低电压供电；低电压供电；4具有宽带性能，可覆盖相应的通信卫星频段具有宽带性能，可覆盖相应的通信卫星频段2

53、006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训932006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训944基本组成基本组成（1）电子枪电子枪（2）高频结构：）高频结构：由环形谐振腔和由环形谐振腔和漂移空间组成漂移空间组成（3）收集极）收集极（4）输入、输出）输入、输出装置装置聚焦系统聚焦系统 电子枪电子枪输入口输入口输出口输出口收集极收集极调谐杆调谐杆中间腔中间腔输入腔输入腔输出腔输出腔电子束电子束多腔速调管的基本组成多腔速调管的基本组成2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训952006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训964基本工作过程：速度调制群聚能量交换基本工作过程：速度调制群聚能量交换（

54、1 1）速度调制：输入腔调谐于信号频率）速度调制：输入腔调谐于信号频率f f0 0，在栅网在栅网1 12 2间激发起微波电场，不同时刻进入的电子群受间激发起微波电场，不同时刻进入的电子群受电场作用加速或减速，交变电场为零时速度不变。电场作用加速或减速，交变电场为零时速度不变。（2 2）群聚（密度调制）：在漂移空间，速度快的电）群聚（密度调制）：在漂移空间，速度快的电子赶上前面的电子，速度慢的电子落后下来。如子赶上前面的电子，速度慢的电子落后下来。如此，离开输入腔后，原来均匀的电子束，逐渐变为此，离开输入腔后，原来均匀的电子束，逐渐变为疏密不等的电子团（由直流形成交流分量）疏密不等的电子团（由直

55、流形成交流分量）2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训972006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训982006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训994（3 3）能量交换：若输出腔栅）能量交换：若输出腔栅3 3、4 4处于最佳群聚位处于最佳群聚位置，且输出腔也调谐于置，且输出腔也调谐于f f0 0，交变电子流在腔中激交变电子流在腔中激起同频电磁振荡，在栅网间建立起与电子运动方起同频电磁振荡，在栅网间建立起与电子运动方向平行、频率为向平行、频率为f f0 0的微波电场。该电场与通过其的微波电场。该电场与通过其间的电子相互作用：由多数电子组成的电子团恰间的电子相互作用：由多数电子组成的电

56、子团恰好遇到减速电场，电子动能减少，其能量转化给好遇到减速电场，电子动能减少，其能量转化给微波场；而进入加速电场的电子数很少，只从中微波场；而进入加速电场的电子数很少，只从中吸收了很少的微波能量，结果，使微波场得到放吸收了很少的微波能量，结果，使微波场得到放大而输出。大而输出。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训1004加入中间腔的作用：增强速度调制和密度调制的加入中间腔的作用：增强速度调制和密度调制的效果，从而改善其放大作用，获得更高的增益（效果，从而改善其放大作用，获得更高的增益（如五腔速调管增益高达如五腔速调管增益高达5050dBdB）和更大输出功率（和更大输出功率（3 3kWk

57、W或更高）。或更高）。4速调管放大器速调管放大器速调管是一个器件与电路融为一体的微波放大器速调管是一个器件与电路融为一体的微波放大器，只需加入一些附助电路（控制、保护、电源等，只需加入一些附助电路（控制、保护、电源等）以及散热装置等，便可作为发射机的功放。）以及散热装置等，便可作为发射机的功放。2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训101中功放中功放冷却冷却速调管放大速调管放大器器高压电源高压电源波导波导多臂定向多臂定向耦合器耦合器功率指示器功率指示器飞弧保护飞弧保护可变衰减器可变衰减器速调管温度速调管温度壳体电流保护壳体电流保护门开关装置门开关装置灯丝调整装置灯丝调整装置遥控与本控遥控与本控灯丝测试灯丝测试故障显示故障显示高压保护高压保护控保系统控保系统功率自动功率自动稳定系统稳定系统大驻波保大驻波保护装置护装置到天线到天线2006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训1022006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训1032006卫星通信工程师培训卫星通信工程师培训104HPA上变频上变频LNA下变频下变频中中频频接接口口调制器调制器解调器解调器收收发发处处理理及及控控制制设设备备控控制制总总线线HUB控控制接口制接口控制器控制器双工器双工器2006卫