第六章 地球站和VSAT6.1引言引言6.2HPA&LNA6.3地球站射频基本性能地球站射频基本性能6.4天线、馈源和跟踪系统天线、馈源和跟踪系统6.5射频射频(RF)分系统分系统6.6通信公用和网络接口分系统通信公用和网络接口分系统6.7固定和广播卫星业务地球站固定和广播卫星业务地球站6.8很小孔径终端网络很小孔径终端网络(VSAT网络网络)16.1 引言2卫星通信系统框图3星载和地球站设备星载和地球站设备46.2HPA和和LNA高功率放大器（高功率放大器（HPA）行波管放大器（行波管放大器（TWTA）TravelingWaveTubeAmplifier速调管放大器（速调管放大器（KPA）KlystronPowerAmplifier固态功率放大器（固态功率放大器（SSPA）SolidStatePowerAmplifier5不同频段三种放大器的输出功率不同频段三种放大器的输出功率300025002000150010005000C波段波段Ku波段波段Ka波段波段KPATWTASSPA射频功率输出射频功率输出(W）40W25W15W6放大器放大器输出功率输出功率带带宽宽功放管功放管TWTA中中50800W水冷水冷:10kw较宽较宽C波段：波段：500MHzKu和和Ka波段波段:1000MHz真空管真空管KPA大大1KW以上以上较窄较窄50-100MHz真空管真空管SSPA小小3-10W介于介于TWTA和和KPA之间之间砷化镓场效应砷化镓场效应半导体管半导体管三种放大器的性能比较三种放大器的性能比较7低噪声放大器（低噪声放大器（LNA）参量放大器参量放大器致冷砷化镓场效应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常温砷化镓场效应放大器(GaAsFET)8三种三种LNA的内部噪声性能的内部噪声性能140120100806040200C波段波段Ku波段波段Ka波段波段参量放大器参量放大器制冷制冷GaAsGaAs放大器噪声温度放大器噪声温度(K(K）9LNA前端接法前端接法LNA模块只包含低噪声放大器模块只包含低噪声放大器宽带低噪声下变频模块：宽带低噪声下变频模块：LNA模块除了低噪声模块除了低噪声放大器以外，还包含宽带下变频器放大器以外，还包含宽带下变频器(1GHz)窄带低噪声下变频模块：窄带低噪声下变频模块：LNA模块除了低噪声模块除了低噪声放大器以外，还包含窄带下变频器放大器以外，还包含窄带下变频器(70MHz)1011126.3地球站射频基本性能地球站射频基本性能描述地球站性能的一个最基本参量，是描述地球站性能的一个最基本参量，是接收天线接收天线增益对噪声温度比增益对噪声温度比(G/T)值，值，又称为地球站的又称为地球站的品质因数品质因数。
它表示一个它表示一个地球站的接收能力强弱，地球站的接收能力强弱，G/T值越高就意值越高就意味着地球站的接收能力越强因此，根味着地球站的接收能力越强因此，根据提供业务和据提供业务和G/T值的不同，可以按此对值的不同，可以按此对地球站进行分类地球站进行分类13地球站分类地球站分类业务业务地球站类型地球站类型近似近似G/T值值（dB/K）注解注解FSS固定业务固定业务大大中中小小很小很小很小很小4030252012发送发送/接收接收单收单收MSS移动业务移动业务大大中中小小-4-12-24要求跟踪要求跟踪要求跟踪要求跟踪没有跟踪没有跟踪BSS直播业务直播业务大大小小158社区接收社区接收个体接收个体接收141516地球站设备一般组成地球站设备一般组成地球站设备的一般原理性框图地球站设备的一般原理性框图 17地球站技术近期发展趋向地球站技术近期发展趋向最大的增长点是移动卫星业务用户的最大的增长点是移动卫星业务用户的数目在本世纪前数目在本世纪前10年会达到年会达到1千万以上千万以上大部分手持终端，都具有与地面移动系大部分手持终端，都具有与地面移动系统同时运行的能力统同时运行的能力186.3地球站射频基本性能地球站射频基本性能6.3.1有效全向辐射功率有效全向辐射功率(EIRP)的定义和计算的定义和计算如如果果用用PT表表示示天天线线馈馈源源口口的的输输入入功功率率，GT是是发发射射天天线线增增益，则地球站的有效全向辐射功率就是：益，则地球站的有效全向辐射功率就是：EIRP=PTGT19接收系统噪声分析和品质因数接收系统噪声分析和品质因数G/T值计算值计算通常用天线增益对噪声温度比通常用天线增益对噪声温度比G/T，表表示地球站天线和低噪声放大器的性能，它示地球站天线和低噪声放大器的性能，它与接收机的灵敏度密切相关。
参量与接收机的灵敏度密切相关参量G是表是表示低噪声放大器输入端的接收天线增益示低噪声放大器输入端的接收天线增益201.通信系统中的噪声通信系统中的噪声通信系统中有关噪声的论述时基于白噪通信系统中有关噪声的论述时基于白噪声的噪声形式，它的功率谱密度为声的噪声形式，它的功率谱密度为N0 0/2/2，在很大的频率范围内是平滑的在很大的频率范围内是平滑的21在电子通信系统中，由噪声源送到匹配在电子通信系统中，由噪声源送到匹配负载的白噪声功率谱密度通常用负载的白噪声功率谱密度通常用W/Hz表示，为表示，为:222.放大器的噪声温度和噪声系数放大器的噪声温度和噪声系数系统噪声温度：噪声系数噪声系数 :23 3. 放大器级联噪声温度 用于等效噪声温度分析的级联二端口系统用于等效噪声温度分析的级联二端口系统 24n个系统噪声温度：n个系统级联时的噪声系数个系统级联时的噪声系数 254. 无源器件的噪声温度有损网络的损耗因子L等于它的噪声系数F 有损二端口网络的等效噪声温度为 26 5. 天线噪声温度天线噪声温度是通过天线进入到接收机的噪声的量度，它是由所有外部噪声源产生的噪声分量的积分：27 6. 系统总噪声温度用于等效噪声温度计算的地球站接收端用于等效噪声温度计算的地球站接收端 286.4天线、馈源和跟踪系统天线、馈源和跟踪系统1.天线是一种互易器件，当频率给定时，接收和天线是一种互易器件，当频率给定时，接收和发送特性是相同的发送特性是相同的2.地球站天线可以用来作为定义各个参量的样本地球站天线可以用来作为定义各个参量的样本3.大部分地球站天线要求能沿着两根轴方向运动，大部分地球站天线要求能沿着两根轴方向运动，即仰角和方位角方向，以便能迅速跟踪卫星即仰角和方位角方向，以便能迅速跟踪卫星291.天线基础和辐射方向性图天线基础和辐射方向性图天线辐射方向性图天线辐射方向性图 302.天线主要特性参量天线主要特性参量1.天线的半功率点波束宽度天线的半功率点波束宽度N 场分布系数场分布系数工作波长工作波长 D天线直径天线直径312.天线主要特性参量天线主要特性参量2.2.天线方向性天线方向性 仰角仰角方位角方位角PAV平均辐射功率平均辐射功率322.天线主要特性参量天线主要特性参量3. 3. 效率效率抛物面天线抛物面天线5070%喇叭天线喇叭天线90%332.天线主要特性参量天线主要特性参量4.4.增益函数增益函数 （圆形天线）（圆形天线）天线增益天线增益增益函数增益函数的最大的最大值值34天线增益天线增益G与半功率点波束宽度与半功率点波束宽度hp的关系的关系, 孔径效率孔径效率 60 % 356.4.2天线系统天线系统基于它们的几何形状，地球站可以使用基于它们的几何形状，地球站可以使用具有轴对称和非轴对称的天线结构。
具有轴对称和非轴对称的天线结构361.轴对称结构轴对称结构喇叭抛物面天线结构图喇叭抛物面天线结构图 37卡塞格伦天线结构图卡塞格伦天线结构图 38极轴天线结构图极轴天线结构图 3940412.非轴对称结构非轴对称结构(偏馈天线偏馈天线)非轴对称非轴对称 ( (偏馈偏馈) ) 天线结构图天线结构图 42433.天线安装天线安装天线安装结构图天线安装结构图:(a)方位角方位角仰角装置；仰角装置；(b)XY轴装置轴装置446.4.3馈源系统馈源系统1.主馈源系统功能主馈源系统功能l照射整个主反射器照射整个主反射器l将发射和接收信号频带隔离开将发射和接收信号频带隔离开l在双极化系统中分离和组合信号极化在双极化系统中分离和组合信号极化l为某些类型的卫星跟踪系统提供误差信号为某些类型的卫星跟踪系统提供误差信号2.喇叭馈源喇叭馈源3.正交极化馈源正交极化馈源45一种正交极化馈源系统的组成框图一种正交极化馈源系统的组成框图 46一种正交极化馈源系统的组成框图一种正交极化馈源系统的组成框图 476.4.4跟踪系统跟踪系统在地球站天线处观察，当卫星漂移占地在地球站天线处观察，当卫星漂移占地球站天线半功率点波束宽度很大部分时，球站天线半功率点波束宽度很大部分时，为了避免使天线指向损耗过大，必须要为了避免使天线指向损耗过大，必须要采用跟踪系统，即：采用跟踪系统，即：Shphp/N48对地球站天线跟踪系统的要求对地球站天线跟踪系统的要求能部分或全部执行下列功能：能部分或全部执行下列功能：1.卫星搜索卫星搜索2.自动跟踪自动跟踪3.手工跟踪手工跟踪4.程序跟踪程序跟踪49(a) 一种卫星跟踪系统的主要元件一种卫星跟踪系统的主要元件. (b) 一种步进跟踪系统一种步进跟踪系统 50自动跟踪系统自动跟踪系统1步进跟踪系统步进跟踪系统2单脉冲跟踪技术单脉冲跟踪技术3智能跟踪智能跟踪516.5射频射频(RF)分系统分系统6.5.1发送设备发送设备1.HPA备份方式备份方式l1+1lN+12.多载波合成多载波合成3.功率合成功率合成l提高输出功率提高输出功率l提高系统可靠性提高系统可靠性4.高功放的非线性高功放的非线性526.5.2 接收设备(a) 参量放大器原理电路框图。
参量放大器原理电路框图b) 一个一个GaAs FET低噪声放大器电路低噪声放大器电路 53参量放大器的等效噪声温度可以近似表参量放大器的等效噪声温度可以近似表示为：示为：TeffS STo/fi i54参量放大器可大致划分 不致冷的：To 环境温度 + 100 C 270 C = 300 K；热电致冷的：To 500 C = 223 K；深致冷的：To 2500 C = 23 K 556.6通信公用和网络接口分系统通信公用和网络接口分系统6.6.1 上变频器 (UC) 和下变频器 (DC) l 变频l 一次变频一次变频l 二次变频二次变频l 中频l 70MHz （36MHz转发器）转发器）l 140MHz （72MHz转发器）转发器）566.6.1上变频器和下变频器上变频器和下变频器1.上变频过程和上变频器原理BPF10uBPF 110uBPF 22一次变频一次变频二次变频二次变频576.6.1上变频器和下变频器上变频器和下变频器 卫星通信中只发送一个混频边带 发送频率u要求能够快速改变 一般采用二次变频 两个一次变频的级联586.6.1上变频器和下变频器上变频器和下变频器2.转发器跳跃、极化跳跃和上变频器备份l转发器跳跃在一帧内地球站将发送载波从一个转发器跳到另一个转发器l极化跳跃地球站将载波从一个极化的转发器跳跃到另一个极化的转发器3. 下变频过程二次变频596.6.2频率合成器频率合成器所谓的所谓的频率合成器频率合成器，就是用一个高稳定度，就是用一个高稳定度的基音晶体振荡器作为基准频率源；然后的基音晶体振荡器作为基准频率源；然后对它进行数学四则运算，用电路中的混频、对它进行数学四则运算，用电路中的混频、倍频、分频电路来实现；最后采用锁相技倍频、分频电路来实现；最后采用锁相技术，使它产生步长一定、与基准频率源具术，使它产生步长一定、与基准频率源具有同样稳定度的大量频率分量输出。
有同样稳定度的大量频率分量输出60(a) 发送频率合成器原理图发送频率合成器原理图 61(b) 接收频率合成器原理图接收频率合成器原理图 62上、下变频合用一种微波频率合成器上、下变频合用一种微波频率合成器 636.6.3中频放大、滤波和均衡中频放大、滤波和均衡放大、滤波、和群时延均衡功能是在中放大、滤波、和群时延均衡功能是在中频。