Ka波段（衛(wèi)星通信中頻帶較寬的微波波段）

概念

Ka波段大致上的頻率范圍是30/20GHz。Ka頻段具有可用帶寬寬，干擾少(干擾不一定少)，設(shè)備體積小的特點(diǎn)。因此，Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級寬帶數(shù)字傳輸、高清晰度電視(HDTV)、衛(wèi)星新聞采集(SNG)、VSAT業(yè)務(wù)、直接到戶(DTH)業(yè)務(wù)及個人衛(wèi)星通信等新業(yè)務(wù)提供一種嶄新的手段。Ka頻段的缺點(diǎn)是雨衰較大，對器件和工藝的要求較高。在Ka頻段頻音下，Ka用戶終端的天線尺寸主要不是受制于天線增益，而是受制于抑制來自其它系統(tǒng)干擾的能力。

Ka波段概述

Ka波段最重要的一個特點(diǎn)就是頻帶較寬，C頻段的一般可用帶寬為500MHz～800MHz；Ku頻段的可用帶寬為500MHz～1000MHz；而Ka頻段的可用帶寬可達(dá)到3500MHz。因此，Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級寬帶數(shù)字傳輸、高清晰度電視(HDTV)、衛(wèi)星新聞采集(SNG)、VSAT業(yè)務(wù)、直接到戶(DTH)業(yè)務(wù)及個人衛(wèi)星通信等新業(yè)務(wù)提供一種嶄新的手段。Ka波段的缺點(diǎn)是雨衰較大，對器件和工藝的要求較高。在Ka波段頻率下，用戶終端的天線尺寸主要不是受制于天線增益，而是受制于抑制其它系統(tǒng)干擾的能力。

早期試驗研究情況

1974年，美國NASA就曾在Fairchild(仙童公司)研制的ATS-6(應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星-6)上進(jìn)行過20、30GHz連續(xù)波和多個單音的傳播試驗，開辟了Ka波段衛(wèi)星傳播和通信試驗的先河。1976年，美國用一枚火箭同時發(fā)射了LES8、9(林肯試驗衛(wèi)星8、9)，它不僅與地球站進(jìn)行了Ka波段的傳播試驗，而且還建立了衛(wèi)星間Ka波段試驗鏈路。

日本在開發(fā)衛(wèi)星通信的初期，就將目標(biāo)定在了Ka波段。1977年4月，日本發(fā)射了與美國合作研制的ETS-II(工程試驗衛(wèi)星II)，并于1977年12月發(fā)射了自己的實(shí)驗通信衛(wèi)星CS-1(通信衛(wèi)星-1)，該衛(wèi)星載荷有6臺Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器。接著，日本于1983年2月和8月分別發(fā)射了CS-2(2A、2B)商用衛(wèi)星。其中2A位于同步軌道130°E，屬于工作星，2B作為備份星位于135°E。CS-2不但是日本的第一顆商用通信衛(wèi)星，也是世界上第一顆搭載Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器的實(shí)用通信衛(wèi)星，載有6臺Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器，2臺C波段轉(zhuǎn)發(fā)器，采用二次變頻體制，中頻頻率1.8GHz。后來，日本于1988年發(fā)射了CS-3A、3B兩顆衛(wèi)星，Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器增加到l5臺，采用單波束天線。其Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器的主要特點(diǎn)是：采用了與CS-2不同的一次變頻體制，直接進(jìn)行上下行頻率轉(zhuǎn)換。

歐空局于l990年7月發(fā)射了Ka波段的奧林巴斯(OLYMPUS)通信衛(wèi)星。意大利也較早地開發(fā)利用Ka波段衛(wèi)星ITALSAT(意大利衛(wèi)星)，該星為意大利第一顆國內(nèi)通信衛(wèi)星，于1991年發(fā)射，載有三類有效載荷，其中兩類用于Ka波段點(diǎn)對點(diǎn)通信，包括多波束系統(tǒng)和全球波束系統(tǒng)，多波束系統(tǒng)有6臺Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器，具有0.9Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。

Ka波段衛(wèi)星的起伏發(fā)展階段

20世紀(jì)末，隨著全球信息高速公路的發(fā)展，眾多的Ka波段計劃紛紛出臺。l997年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)對13家公司發(fā)放了Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)許可證。例如，洛克希德·馬丁公司的Astrolink系統(tǒng)，計劃用5顆地球靜止軌道衛(wèi)星提供高數(shù)據(jù)速率通信業(yè)務(wù)，具有星間鏈路；Teledesic系統(tǒng)則計劃在1375公里的l2個圓軌道面上部署288顆衛(wèi)星；另外就是勞拉公司的Cyberstar系統(tǒng)，由3顆衛(wèi)星組成；HCI的Galaxy/Spaceway，由20顆星組成；GE美國公司的GEStar系統(tǒng)，由9顆衛(wèi)星組成；晨星公司的MorningStar系統(tǒng)，由4顆衛(wèi)星組成；而著名的移動衛(wèi)星“銥系統(tǒng)的星間鏈路也采用了Ka波段技術(shù)。此外，歐空局、日本、德國、加拿大、韓國等也都推出了自己的Ka波段計劃，如法國的SkyBridge；韓國為2000年奧林匹克運(yùn)動會和2002年世界杯電視轉(zhuǎn)播而計劃發(fā)射的Koreasat-3(韓星-3)等。

與此同時，數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星也開始大量應(yīng)用Ka波段。因為太空中不存在雨衰，因此Ka波段是太空傳輸?shù)淖罴?a class="dict" href="/azgame/od2747207.html">選擇之一。美國計劃從2000年開始使用的第二代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。增加Ka波段星間鏈路和饋電鏈路，其最大反向數(shù)據(jù)率可達(dá)650Mbit/s。歐空局的計劃分為兩個部分，一個是“高級中繼和技術(shù)試驗衛(wèi)星(ARTEMIS)”，另一個是數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(DRS)，在星間鏈路和饋電鏈路上都使用了Ka波段傳輸技術(shù)。日本發(fā)射了兩顆名為數(shù)據(jù)中繼測試衛(wèi)星(DRTS)，其中在星間鏈路和饋電鏈路中使用了Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù)，最大反向數(shù)據(jù)率可達(dá)300Mbit/s。

然而，因為本世紀(jì)初光纜對衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)所產(chǎn)生的巨大沖擊，使得Ka波段衛(wèi)星的發(fā)展遇到前所未有的挫折。許多Ka波段項目被無限期地延長。

波段試驗衛(wèi)星

技術(shù)試驗衛(wèi)星是用于衛(wèi)星工程技術(shù)和空間應(yīng)用技術(shù)的原理性或工程性試驗的人造地球衛(wèi)星，對衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展具有很大的推動作用。人們曾較為全面地開展了針對Ka波段衛(wèi)星的試驗，著名的有美國的ACTS(先進(jìn)通信技術(shù)衛(wèi)星)和日本的WINDS衛(wèi)星(寬帶互聯(lián)網(wǎng)工程試驗和演示衛(wèi)星)。

ACTS是由MartinAstro.Space公司為美國宇航局(NASA)Lewis研究中心研制的，于1993年發(fā)射升空。ACTS采用了一系列新的技術(shù)，通過試驗論證成功后，將作為未來通信衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)。這些新技術(shù)包括：跳變點(diǎn)波束、星上交換、雨衰補(bǔ)償?shù)取?/p>跳變點(diǎn)波束

一般的衛(wèi)星大都是利用寬波束覆蓋，提供相對低的信號EIRP，因需要較大的地面接收天線和較大的上行鏈路天線，提高了系統(tǒng)的成本。而點(diǎn)波束卻能將射頻能量集中到具有很小覆蓋區(qū)域的窄波束中去，使衛(wèi)星獲得很高的G/T和EIRP。ACTS采用的點(diǎn)波束有20dB的信號電平的改善，帶來的好處是系統(tǒng)中的地球站可用小尺寸天線獲得較高的流量。然而，點(diǎn)波束也存在不足，主要是固定指向點(diǎn)波束在照射較大通信覆蓋區(qū)域時，其數(shù)量必須大幅增加，再就是靈活性不夠，經(jīng)營成本增加。跳變點(diǎn)波束則能很好地解決后一個問題。在ACTS衛(wèi)星中，波束指向位置是基于人口密度、地區(qū)分集數(shù)據(jù)源的可用度與寬帶信道配合而選擇的。除利用開關(guān)矩陣的固定波束外，還有利用基帶處理器(BBP)的兩簇跳變點(diǎn)波束。不論是哪一種波束，工作時都能用某種開關(guān)進(jìn)行控制，按用戶的申請運(yùn)作，對服務(wù)需要作出響應(yīng)。另外，兩簇跳變點(diǎn)波束以均勻增益覆蓋夏威夷、阿拉斯加和整個半球。固定和跳變指向的波束都有0.3°的波束寬度；而可控反射面天線口徑較小，其波束寬度為1°。

ACTS有兩種衛(wèi)星星上交換方式：一種是通過開關(guān)矩陣，另一種是通過具有存儲的基帶處理器。在開關(guān)矩陣(MSM)方式中，用它來連接三個固定波束或兩簇跳變波束，開關(guān)矩陣具有900MHz的帶寬，可提供彎管或動態(tài)交換。當(dāng)用于動態(tài)交換時，幀長為1ms；對于低數(shù)據(jù)率終端要求較長靜止時間的應(yīng)用，則幀長為32ms。在基帶處理器(BBP)方式中，用來控制兩簇跳變指向的波束之間的TDMA業(yè)務(wù)。每一跳變波束簇的最大吞吐量為110Mbit/s，每幀1728時隙?；鶐幚砥鞯囊粋€特有的優(yōu)點(diǎn)是，只有需要訪問的那些波束才被激活，即提供按需分配多址(DAMA)信道，從而使衛(wèi)星資源得到最大利用。

相關(guān)研究

圖1 曲折雙脊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)示意圖

在曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)：曲折雙脊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該新型慢波結(jié)構(gòu)是由雙脊波導(dǎo)沿電場面周期性彎曲成直角型曲折線或U形曲折線，形成慢波結(jié)構(gòu)；再沿慢波結(jié)構(gòu)的中軸對稱線的位置在波導(dǎo)壁上開圓形通孔，形成電子注通道。本文理論分析了Ka波段曲折雙脊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的高頻特性，并與Ansoft公司開發(fā)的HFSS軟件仿真結(jié)果進(jìn)行了比較。在高頻特性分析的基礎(chǔ)上，利用三維粒子模擬軟件MAGIC3D建立了曲折雙脊波導(dǎo)行波管模型，并對行波管中的注-波互作用進(jìn)行了模擬分析；此外，在相同工作條件下，模擬了曲折波導(dǎo)行波管的注-波互作用，比較分析了兩種行波管的輸出功率，電子效率和增益等參量。

曲折雙脊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的高頻特性

在曲折雙脊波導(dǎo)慢波線中，當(dāng)電磁波沿曲折路徑傳播時，由于波導(dǎo)的彎曲從而降低了電磁波的縱向等效相速度。電子注由電子槍發(fā)射出來，沿著電子注通道向前傳輸。當(dāng)電子注經(jīng)過波導(dǎo)的間隙部分時，由于沿波導(dǎo)傳輸?shù)腡E10模的橫向電場的作用，注中的電子會感受到加速或減速的力。根據(jù)電子注電壓和波導(dǎo)尺寸適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)電磁波和電子注的同步，從而使得兩者之間的互作用得以持續(xù)的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了信號的放大。

注-波互作用的大信號模擬分析

根據(jù)之前高頻特性分析，曲折雙脊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的工作電壓在13.3kV，并且能在近10GHz的頻率范圍內(nèi)滿足同步條件，實(shí)現(xiàn)有效的注-波互作用。在此基礎(chǔ)上，利用MAGIC3D仿真軟件對曲折雙脊波導(dǎo)行波管中的注-波互作用進(jìn)行模擬分析。

注-波互作用的研究主要包括三個方面的內(nèi)容：在波場的作用下電子運(yùn)動的變化；在電子激勵下波場運(yùn)動的變化；波場和電子互相作用產(chǎn)生的總的結(jié)果。MAGIC3D程序是從設(shè)置的邊界條件和初始條件開始，對初始態(tài)的大量電荷粒子統(tǒng)計平均求出空間電荷和電流，再由完整的Maxwell方程組計算出空間的電磁場，由Lorentz公式求出每個電荷粒子在電磁場作用下的加速度、速度以及由此產(chǎn)生的空間位移和速度變化，從而得到電荷粒子新的空間分布和速度分布。由此循環(huán)，跟蹤計算出大量電荷粒子的運(yùn)動軌跡和電磁場的時間演化過程，從而模擬出注-波互作用的整個過程，從中分析出電子注、高頻場的變化情況。最后對這些微觀電荷粒子的有關(guān)物理量進(jìn)行統(tǒng)計平均，得到宏觀系統(tǒng)的性質(zhì)和運(yùn)動規(guī)律，從這些模擬結(jié)果中可以分析出注-波互作用的總的結(jié)果。

研究結(jié)論

提出了一種新型慢波結(jié)構(gòu)-曲折雙脊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，從理論和仿真模擬上分析慢波結(jié)構(gòu)的高頻特性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了工作在Ka波段的曲折雙脊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)。從中發(fā)現(xiàn)，在行波管增益峰值相近的情況下，曲折雙脊波導(dǎo)行波管的3dB增益帶寬為22%，其帶寬性能更好；同時，新型行波管的電子效率峰值接近9%，具有更高的效率。