EHF頻段衛星通信特點與關鍵技術分析

夏融

摘 要：隨著Ka頻段衛星通信系統的逐步建立與普及，為獲得更多的通信資源，需要建立更高頻段的EHF頻段衛星系統，該頻段的射頻器件、衛星鏈路等相比傳統衛星通信系統均有其自身特點，是未來設計EHF衛星系統必須考慮的問題。文章分析了典型衛星鏈路和鏈路中各環節需要的關鍵技術。

關鍵詞：EHF；衛星通信系統；頻段

極高頻（Extremely High Frequency，EHF）頻段衛星通信作為下一代衛星通信的發展方向之一，具有通信頻段高、頻率資源豐富、天線終端小、波束窄、抗干擾能力強的特點。在過去的幾十年中，其基礎技術研究得到了蓬勃發展，并逐步進入應用階段，英、美等國家已經設計并建設了多個不同類型的EHF頻段衛星通信系統[1]。

美軍在其天基系統的規劃中，設計并完成了兩大EHF頻段的衛星系統：Milstar和先進極高頻（Advanced Extremely High Frequency，AEHF）系統。首先建設完成的Milstar系統，工作在EHF頻帶，終端上行頻率為44 GHz的EHF，下行頻率為20 GHz的超高頻（Super High Frequency，SHF）或特高頻（Ultra High Frequency，UHF）頻段，衛星上采用了調零天線，地球站大規模使用小型化的可移動終端，整個系統具有靈活、抗干擾強、頻帶寬的特點。AEHF衛星作為Milstar的替代者，其衛星點波束更小，功率更高，提高了通信的可靠性和數據率，也極大降低了敵方偵聽和干擾的可能性。

通過外軍EHF頻段系統的特點可見，EHF頻段頻率資源豐富、抗干擾能力強、通信終端體積小，且該頻段與一般民用通信系統距離較遠，近地干擾小，在軍事應用領域具有重要意義。

1 典型EHF通信鏈路

一個典型的EHF頻段衛星通信鏈路如圖1所示。

為完成一次完整的通信，系統需要具備如圖1所示的各類資源與設備。地面鏈路中的數據源設備將源用戶的視頻、話音、數據等信號源轉化為可供無線信道傳輸的數字信號；信道編解碼設備將待傳輸的數字信道進行編碼，提高無線信道傳輸的可靠性，通常可采用低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check，LDPC）或Turbo碼等編碼方式；調制解調設備將編碼后的數字信號轉換為可無線傳輸的電波信號，功放設備將電波信號放大后通過發射天線發送至空間鏈路。

空間鏈路中的衛星信道需要根據實際所需的信號帶寬分配相應的頻率資源，衛星將衛星信道中傳輸來的信號進行接收、處理、轉發，傳送至對端站，以完成一次完整的通信。

以上通信鏈路中包含信道部分的編解碼、調制解調，射頻部分的功率放大器、低噪聲放大器，EHF頻段衛星信道等環節，相比現有通信頻段，在每個環節上EHF頻段均有其特點與關鍵技術點。

2 EHF主要關鍵技術及面臨的挑戰

如圖1所示，空間鏈路使用了EHF頻段，按照國際電聯的頻段劃分，總信道帶寬可達到幾十GHz，實際通信中通過各種復用手段，單次可分配的通信帶寬可達幾十至數百MHz，使得EHF系統可支持的數據傳輸速率相比現有系統大大提升[2]。

地面鏈路中的信道編解碼、調制解調所支持的帶寬大大提升，功率放大器、低噪聲放大器效率也得以提高，所需的天線口徑也可以減小，使得設備得以小型化、便攜化。

但應注意到系統在獲得上述系統優點的同時也需要突破一系列的關鍵技術，面臨各類挑戰。

2.1 小型化的天線伺服設備

按照天線設計的原則，在相同增益的條件下，頻段越高所需要的天線口徑越小，這使得EHF頻段天線得以小型化，美軍在其空間極其狹小的潛望鏡平臺上也部署了EHF頻段設備。EHF頻段設備在獲得天線口徑得以降低的優勢的同時，其波束角相比Ka，Ku頻段都更為窄小，對星精度的要求遠高于現有設備，對天線的伺服跟蹤系統的精度要求高于以前，需要使用更高精度的伺服電機，特別在高速運動的平臺上，實時的天線跟蹤技術顯得尤為重要，這對伺服的運動速度、加速度，平臺運動軌跡的精確度、刷新速度均提出了更高要求，在跟蹤技術上傳統的步進式跟蹤難以滿足需求，更高精度的單脈沖跟蹤方式也面臨著設備小型化、低功耗的設計難題，又制約了設備小型化、低功耗的設計。

2.2 射頻器件

EHF頻段射頻設備的效率要求與小型化要求也較以前更為苛刻，GaAs器件的普遍使用與GaN器件的逐步推廣，使EHF頻段在固態器件及其集成電路板（Integrated Circuit，IC）的研發領域有了新的突破[3]。這些新工藝、新技術在衛星轉發器及地面站設備的研制中均起了至關重要的作用，主要包括：（1）低噪聲放大器。低噪聲放大器在放大極低電平的信號的同時引入較少的噪聲，在EHF頻段使用時可采用的高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT），相較于傳統的場效應晶體管（Field Effect Transistor，FET），其具有高效率、高增益、工作頻段高的優點，更適合EHF頻段使用。（2）功率放大器。在EHF頻段，固態功率放大器正在逐漸代替傳統的行波管放大器（Traveling-Wave Tube Amplifier，TWTA）。固態功率放大器具有體積重量小、噪聲低、畸變低、可靠性高等優點，主要缺點是效率低，這需要在實際設備的設計中不斷優化。

2.3 衛星鏈路

EHF頻段的衛星鏈路從星上載荷的處理技術到鏈路的評估/系統設計均不同于現有系統。

2.3.1 星上處理技術

通過星上處理技術，可以減少在上行鏈路中信號傳輸所受噪聲、干擾的影響，增強下行鏈路的抗干擾能力，減輕鄰道干擾，簡化地球站設計，EHF頻段星上處理技術一般包含以下兩類。

（1）波束動態調節。EHF衛星為前向功率受限的系統，需要根據服務區的用戶和雨衰情況，采用功率集中或調節波束大小來調整輸出的功率，以滿足系統內用戶的動態變化。endprint

（2）星上基帶處理。星上處理需要完成衛星鏈路上模擬信號到數字基帶的轉化，再重新轉譯后再次進行發送，這樣才能降低上行鏈路傳輸過程中的影響，這不僅需要解調到數字比特流，而且還要進行譯碼、存儲、交換、重組幀、重編碼和重調制等，同時在器件上還需要考慮到太空中的宇宙射線輻射也會對地面普遍使用的現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）等電路帶來影響，這些均為星上處理的實現帶來挑戰。

2.3.2 多波束技術

EHF頻段在40 GHz以上，波束范圍窄，單個波束覆蓋面積小，如需實現常態化的全國或全球覆蓋則需要采用蜂窩式的波束，相較于傳統甚小天線地球站（Very Small Aperture Terminal，VSAT）形式的衛星通信，需增加波束切換、漫游等功能。

2.3.3 星上交鏈技術

EHF頻段衛星通信系統主要在用戶鏈路使用EHF頻段，以提供小體積終端設備。在饋電鏈路可采用SHF的設備，不太容易受到天氣因素的影響，提供較為穩定可靠的通信鏈路，需要在衛星上完成信號的交鏈處理。

2.3.4 雨衰的影響評估

EHF工作頻段高，受云層、雨衰的影響較大，在44 GHz頻段可以達到12～20 dB，在應用系統的評估設計時應充分考慮到天線的影響，具體到設計上則包括對調制解調器的動態范圍要求提高，系統內各類站型的設計與配置的鏈路余量分配等，均需要重新設計評估，不能簡單地照搬現有系統。而EHF頻段在我國尚未大規模投入使用，實際工程數據較為缺乏，在國外也主也要用于軍事用途，數據獲取相對困難，其鏈路特性還有待進一步探索，對應用系統的開發使用形成制約。

3 結語

本文分析了國內外衛星系統的特點，并依據典型衛星鏈路分析了通信中存在各種挑戰，點出了今后的設計研究需要突破的關鍵技術與發展方向。隨著我國衛星通信網的不斷發展及與之匹配的技術不斷完善，EHF頻段的衛星通信在不久的將來將會被逐步推廣完善，完善與突破上述的關鍵技術有助于推進我國EHF衛星通信事業的發展。

[參考文獻]

[1]苑超，譚東，張曉寧，等.EHF衛星通信的特點與現狀[J].數字通信世界，2013（5）：54-58.

[2]袁飛，文志信，王松松.美軍EHF衛星通信系統[J].國防科技，2010（6）：22-26.

[3]甘仲民.衛星通信技術的新發展[J].數字通信世界，2013（10）：12-13.

Abstract：With the gradual establishment and popularization of Ka-band satellite communication system， more EHF band satellite systems need to be established in order to obtain more communication resources. Compared with the traditional satellite communication systems， radio frequency devices， satellite links in EHF band and other have their own characteristics and are the issues that must be considered in future design of the EHF satellite system. This article analyzes the typical satellite link and analyzes the key technologies needed in the link.

Key words：EHF； satellite communication system； frequency bandendprint