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1、卫星移动通信系统中的卫星移动通信系统中的卫星移动通信系统中的卫星移动通信系统中的波束成形技术波束成形技术波束成形技术波束成形技术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，北京清华大学王京提纲提纲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
2、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1.单馈源对应单波束形成单馈源对应单波束形成清华大学王京vAnik-F2，2004.7.18发射美国波音公司研制，45个单馈源形成的Ka点波束vWildblue-1，2006.12.8发射劳拉公司研制，35个单馈源形成的Ka点波束vIPSTAR，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vWINDS，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
3、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1.1单馈源单波束发展现状单馈源单波束发展现状清华大学王京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。1.2单馈源单波束形成多波束的关键技术单馈源单波束形成多波束的关键技术清华大学王京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
4、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2.星上数字星上数字/模拟波束形成技术模拟波束形成技术清华大学王京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：波束波束形成网络（形成网络（BFN）复杂复杂技术技术难度难度较高较高2.星上数字星上数字/模拟波束形成技术模拟波束形成技术清华大学王京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
5、-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试验ETS-VIII卫星2.1星上波束形成技术发展现状星上波束形成技术发展现状清华大学王京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
6、-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ACeS2.1星上波束形成技术发展现状星上波束形成技术发展现状Thuraya清华大学王京Page 10v模拟波束形成关键技术多通道幅相
7、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2.2星上波束形成关键技术星上波束形成关键技术清华大学王京三、地基波束形成技术三、地基波束形成技术3.地基波束形成技术（地基波束形成技术（GBBF）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
8、风险v缺点无法支持单跳业务清华大学王京vTDRS：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）。vICO 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。vTerreStar-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
9、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。 3.1地基波束形成技术发展现状地基波束形成技术发展现状清华大学王京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星地信道估计技术3.2地基波束形成关键技术地基波束形成关键技术清华大学王京Page 14引入可重构技术引入可重构技术 卫星有效载荷软
10、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、功耗限制问
11、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，地基波束成形技术在星卫星柔性数字信道化器的灵活透明转发类似，地基波束成形技术在星上复杂度与系统性能之间取得折衷，也是当前的一种有效解决上复杂度与系统性能之间取得折衷，也是当前的一种有效解决方案方案4.总结与展望总结与展望地基波束形成地基波束形成数字波束形成数字波束形成 模拟模拟波束形成波束形成单馈源单馈源对应对应单波束单波束
