衛(wèi)星通信地球站收發(fā)射頻設(shè)備技術(shù)性能指標(biāo)淺釋（四）
——地球站發(fā)射設(shè)備性能技術(shù)指標(biāo)淺釋

甘仲民

（解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京　210007）

衛(wèi)星通信地球站收發(fā)射頻設(shè)備技術(shù)性能指標(biāo)淺釋（四）
——地球站發(fā)射設(shè)備性能技術(shù)指標(biāo)淺釋

甘仲民

（解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，南京210007）

射頻設(shè)備，包括天線、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)，是衛(wèi)星通信地球站的重要組成部分，決定了通信鏈路的傳輸性能，為了保證好的通信質(zhì)量、可靠性和電磁兼容性，對(duì)RF設(shè)備給出了嚴(yán)格的規(guī)定，構(gòu)成了一整套技術(shù)指標(biāo)體系，本講座將闡明這些指標(biāo)的定義和內(nèi)涵，并給出案例。

衛(wèi)星通信；地球站；射頻設(shè)備；技術(shù)性能指標(biāo)

1　引言

地球站發(fā)射設(shè)備的任務(wù)是產(chǎn)生衛(wèi)星上行鏈路所需的微波信號(hào)，饋送給天線，發(fā)向衛(wèi)星。因此，對(duì)發(fā)射設(shè)備的主要要求有：產(chǎn)生足夠大的射頻功率，以滿足上行鏈路對(duì)信噪比的要求；應(yīng)能調(diào)節(jié)輸出功率，在正常情況下保持功率電平的穩(wěn)定；線性和低雜散輻射；頻率穩(wěn)定度高；高可靠性和安全性。

圖1是地球站發(fā)射設(shè)備的基本組成，上變頻器的作用是將調(diào)制器送來的已調(diào)中頻載波，上變頻為衛(wèi)星上行鏈路所需的微波信號(hào)；功率放大器（簡(jiǎn)稱功放）則是將此微波信號(hào)放大到規(guī)定的功率電平，輸入到天線作為向衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)。下面分別介紹其主要的技術(shù)性能指標(biāo)。

圖1　地球站發(fā)射設(shè)備的基本組成

2　上變頻器

上變頻器與下變頻器的性能技術(shù)指標(biāo)內(nèi)容是相同的，只是所規(guī)定的數(shù)據(jù)不同。表1給出一個(gè)案例，供參考。

表1　一種C頻段上變頻器性能技術(shù)指標(biāo)

3　功率放大器

地球站發(fā)射設(shè)備中常用的功率放大器有固態(tài)功率放大器（SSPA，簡(jiǎn)稱固態(tài)功放）、行波管放大器（TWTA）、速調(diào)管功率放大器等。它們的基本技術(shù)指標(biāo)含義是大致相同的，下面逐一列出并說明。

（1）頻率范圍：SSPA和TWTA功放帶寬可覆蓋某一衛(wèi)星頻段（如C頻段5850～6425MHz），即具有寬頻帶性能；速調(diào)管功放常用于大功率發(fā)射，是諧振腔型的，可調(diào)諧到所要求的某個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬（如36MHz）。

（2）射頻輸出功率：這是功率放大器最為重要的指標(biāo)。其中，固態(tài)功放可提供數(shù)瓦至數(shù)百瓦的微波功率（近來在C頻段以下也有高達(dá)千瓦級(jí)的）；行波管放大器和速調(diào)管放大器可提供高達(dá)2～3kW的微波功率。輸出功率通常用飽和輸出功率（Psat）或1dB（增益）壓縮點(diǎn)的輸出功率（P1dB）來表示。

圖2是典型的功率放大器輸入-輸出功率關(guān)系（又稱轉(zhuǎn)移特性或AM-AM變換），其基本規(guī)律是：當(dāng)輸入功率很小時(shí)，輸出與輸入之間呈線性關(guān)系（增益為常數(shù)），隨著輸入信號(hào)功率的增加，到達(dá)某一電平后，輸入與輸出之間不再是線性關(guān)系，即進(jìn)入非線性區(qū)；當(dāng)輸出隨輸入的增加達(dá)到最大值之后，再繼續(xù)增加輸入，輸出不再增加甚至反而下降時(shí)，這一最大臨界值便稱為飽和輸出功率（Psat）；當(dāng)小信號(hào)線性功率增益下降1dB時(shí)的輸出功率，便稱為1dB壓縮點(diǎn)輸出功率（P1dB）。

圖2　典型的功放輸入-輸出特性

在衛(wèi)星通信中，常用等效全向輻射功率（EIRP）來表示發(fā)射系統(tǒng)的功率發(fā)射能力，用分貝表示時(shí)其定義是

式中，PT是發(fā)射機(jī)輸出功率；［PT］是其分貝值，對(duì)地球站系統(tǒng)性能評(píng)估時(shí)；PT用Psat或P1dB來表示；GT，LT分別是發(fā)射天線增益和饋線損耗，相應(yīng)的分貝值為［GT］，［LT］。

（3）小信號(hào)增益：也即線性區(qū)的功率增益，用G表示時(shí)有

用分貝數(shù)表示時(shí)有

（4）增益調(diào)整范圍：能按發(fā)射要求控制功率輸出達(dá)到某一數(shù)值（電平），功放的增益應(yīng)有一定的調(diào)節(jié)能力，即用分貝表示時(shí)最大增益與最小增益之差。例如，當(dāng)P1dB=100W時(shí)，如增益調(diào)整范圍為23dB，可通過增益調(diào)整，使輸出功率在5～100W的范圍內(nèi)變化。

（5）增益設(shè)定精度：發(fā)射機(jī)工作時(shí)要輸出多少功率，要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)給出的要求來確定；一旦給定需要發(fā)射的功率，便可通過調(diào)節(jié)增益來滿足此要求，實(shí)際的輸出相對(duì)于規(guī)定值的偏差，取決于增益的設(shè)定精度，故需對(duì)其提出適當(dāng)要求。

（6）增益穩(wěn)定度、小信號(hào)增益斜率、小信號(hào)增益變化：關(guān)于增益穩(wěn)定度、增益斜率、增益變化的含義，在上變頻器中已有說明。由于功放在大信號(hào)工作時(shí)，可能出現(xiàn)不同程度的非線性，會(huì)掩蓋了放大器帶寬內(nèi)增益～頻率特性的變化，故選在小信號(hào)工作時(shí)測(cè)量其增益斜率、增益變化的情況，更能反映放大器的性能。

（7）輸入、輸出駐波比：為了有效地放大信號(hào)、保持放大器良好的幅-頻、相-頻特性，要求功率放大器的輸入、輸出端分別與上變頻器和雙工器具有良好的匹配。尤其值得注意的是，在大功率放大器中，當(dāng)輸出端嚴(yán)重失配時(shí)，可能導(dǎo)致波導(dǎo)打火、損壞放大器，造成嚴(yán)重的設(shè)備故障，是要避免的。一般功放與雙工器間接有隔離器和某些保護(hù)電路，以確保安全。

（8）三階互調(diào)產(chǎn)物：這是衡量功率放大器非線性程度的指標(biāo)。對(duì)于非線性放大器，可用下列多項(xiàng)式來描述其輸出與輸入之間的關(guān)系：

式中，a1，a3，a5，…是由功放輸入-輸出實(shí)際特性決定的正、負(fù)交替的系數(shù)。

當(dāng)式（4）用前兩項(xiàng)近似，V（t）=Acosω1t+Acosω2t時(shí)，代入式（4），求得

可見，由于非線性的作用，出現(xiàn)了新的角頻率分量：2ω1-ω2，2ω2-ω1，對(duì)應(yīng)的頻率分別為2f1-f2，2f2-f1，它們分別為f2分量對(duì)2f1和f1分量對(duì)2f2分量調(diào)制產(chǎn)生的，故稱為“互調(diào)”，這些互調(diào)是由式（5）的三次方項(xiàng)得出的，故稱為三階互調(diào)。這樣，當(dāng)功放輸入二等幅、頻率分別為f1，f2信號(hào)時(shí)，輸出除這兩個(gè)幅度得到了放大的頻率分量外，還派生了2f1-f2，2f2-f1和其他高階組合頻率分量，而三階互調(diào)產(chǎn)物可能落入信號(hào)通帶內(nèi)，形成干擾。三階互調(diào)的大小，用輸出的原有頻率分量功率與之相比［C/IM3］（dB）表示（圖3），也有用［IM3/C］（dB）表示的，二者僅“+”、“-”之差。

圖3　功率放大器及其三階互調(diào)產(chǎn)物

圖4　功放及其互調(diào)產(chǎn)物的特性示例

要說明，對(duì)于同一功放，在不同的輸入電平下，C/IM3是不同的，越靠近飽和點(diǎn)處的C/IM3越小，即三階互調(diào)產(chǎn)物越大，反之亦然，如圖4所示。為了減少互調(diào)可能產(chǎn)生的干擾，希望輸入（輸出）離飽和點(diǎn)遠(yuǎn)些，用輸入或輸出相對(duì)功率電平來衡量，所選的工作點(diǎn)與飽和點(diǎn)電平之差，分別稱為輸入（輸出）補(bǔ)償或回退。其中輸入補(bǔ)償（BOi）取相對(duì)輸入功率的正值、輸出補(bǔ)償（BOo）取相對(duì)輸出功率的正值，通常用分貝數(shù)表示。在性能指標(biāo)要求中，是規(guī)定在某一［BO0］（dB）處給出［C/IM3］或［IM3/C］（dB）數(shù)據(jù)。

利用式（6），（7），便可畫出功率f1，f2（稱為基波）的功率與三階互調(diào)功率轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖5所示。由圖5和上述數(shù)學(xué)式可見，對(duì)于輸入頻率為f1，f2的信號(hào)，輸入功率增加1dB，輸出也增加1dB；而三階互調(diào)2f1-f2或2f2-f1的輸出則增加3dB（真數(shù)為2倍）。基波與三階互調(diào)功率相等時(shí)，即二特性的交點(diǎn)，稱為三階互調(diào)截點(diǎn)（見圖5）。要指出，圖5中輸入、輸出的基波功率應(yīng)為二單波功率之和，三階互調(diào)功率輸出為二互調(diào)分量功率之和。

圖5　三階互調(diào)輸出截點(diǎn)的導(dǎo)出

式中，［C］是等幅雙波輸入時(shí)總的輸出功率（分貝數(shù)）；［C/IM3］是雙波總輸出功率對(duì)兩個(gè)三階互調(diào)功率（之和）比值的分貝數(shù)，它與基波單波輸出對(duì)單個(gè)互調(diào)輸出之比是相等的（見圖3）。

當(dāng)?shù)弥献冾l器與功放的IP3時(shí)，二者級(jí)聯(lián)后總的IP3（輸入值）可按正式求得

式中，IP3in，1，IP3in，2分別為上變頻、功放三階互調(diào)截點(diǎn)輸入功率。

由上變頻器與功放組成的發(fā)射機(jī)及有關(guān)三階互調(diào)截點(diǎn)輸入功率如圖6所示。

圖6　地球站發(fā)射設(shè)備輸入IP3的計(jì)算

減去濾波器的插入損耗（-2dB）便得到折算在設(shè)備輸入端處的［IP3］in=2dBm，余類推。由圖6可知，濾波器的IP3為∞，因而總的IP3是由上變頻器和功放決定的

相應(yīng)的［IP3］out可求得為

（10）諧波輸出：這也是由于功放非線性所導(dǎo)致，除基波得到放大輸出外，還產(chǎn)生了其諧波分量，是不希望有的，故要給出明確的要求。

（11）寄生信號(hào)輸出：是指有用信號(hào)之外的各種雜散信號(hào)，如這些寄生信號(hào)輸出過大，則會(huì)占用微波功率，并可能造成對(duì)有用信號(hào)的干擾，故要求它們的輸出足夠低。

（12）殘留調(diào)幅：這是由于直流電輸出存在幅度的起伏，以及某些低頻噪聲、干擾對(duì)輸入載波的幅度調(diào)制的產(chǎn)物，其存在將引起信號(hào)波形的失真。

（13）噪聲功率密度：功率放大器內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生熱噪聲等噪聲，在發(fā)射頻帶內(nèi)的那些分量，也將送到天線發(fā)射出去，成為干擾，為便于測(cè)量和評(píng)估其影響，一般規(guī)定在某一單位頻帶內(nèi)（如4kHz）不能超過其一數(shù)值。

（14）相位噪聲：這是由于載波相位抖動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。

（15）AM/PM變換

（16）群時(shí)延

功耗是指直流功率與微波功率之差：

要指出，在飽和點(diǎn)之前，輸出的微波功率越大，效率越高，到達(dá)飽和之后，隨著輸入功率的增加，效率迅速下降，也即功耗增加，使放大器管子發(fā)熱，甚至損壞，這是值得注意的。

功放所需的直流功率占了地球站收、發(fā)設(shè)備電能的大部分；為能輸出所需的微波功率，地球站的電源應(yīng)有充分的保證。表2為一種C頻段固態(tài)功放性能技術(shù)指標(biāo)。

表2　一種C頻段固態(tài)功放性能技術(shù)指標(biāo)

［1］甘仲民，張更新，王華力等.毫米波通信技術(shù)與系統(tǒng).北京：電子工業(yè)出版社，2003

［2］Behzad Razavi. RF Micoelectronics. NJ: Prentice Hall PTR.1998

Introduction of Technical Performance Specification for Receiving-Transmitting RF Equipment of a Satellite Communications Earth Station （Part 4）-- Introduction of Technical Performance Specification for Transmitter of Earth Station

Gan Zhongmin
（Institute of Communication Engineering，PLAUST，Nanjing，210007）

RF equipment，including antenna and transceiver，is an important part of a satellite communications earth station. It determines the performance of a communication link. To guarantee good communication quality，reliability and electromagnetic compatibility，strict regulations for RF equipment are made，and a complete set of technical performance specifications is constructed. In this series of lectures，we will explain definitions and content of these technical specifications，and give examples in practical applications.

satellite communications； earth station； RF equipment； technical performance specification

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.04.001

TN927+.2

A

1672-7274（2015）04-0001-05