國外通信衛星靈活有效載荷技術與趨勢研究（上）

朱貴偉 李博（北京空間科技信息研究所）

隨著容量性能、設計壽命的不斷提升，通信衛星在軌工作期間如何更加高效地服務不同區域、不同時域的不同應用需求，提升轉發器利用效率，提高收入回報，是通信衛星運營商近年來關注的焦點問題，靈活有效載荷的概念應運而生。2008年，歐洲航天局（ESA）組織召開第一屆先進靈活通信載荷工作會后，工業界開始大規模重視該領域的發展，并取得了較多進展。

1 靈活有效載荷技術體系

通信衛星質量、功率和結構空間是載荷靈活性的最大約束條件，傳統的衛星靈活性設計主要通過星上關鍵通信設備的冗余配置實現，這樣就會產生額外的星上資源開銷，從而導致靈活性和整星通信容量之間的矛盾。因此，隨著技術的演進，衛星靈活性在實現途徑上一個很重要的原則就是不過度增加載荷負擔。

靈活有效載荷關鍵技術體系

目前來看，根據任務類型和需求的不同，國外對通信衛星載荷各層級的靈活性，主要依靠對傳統星上通信鏈路所涉及各個單機/元器件環節的技術改進，而非增加冗余度的方式實現，可分為天線、射頻前端、中頻/基帶處理單元三大部分，本文據此對靈活有效載荷涉及的關鍵技術進行了梳理。

總體來看，目前各技術領域的發展水平和成熟度差別較大，而且這些靈活度的作用和效果各不相同。

1）天線部分側重波束覆蓋能力的靈活性，主要利用傳統無源反射面天線的機械/電調節，實現波束移動與尺寸縮放，利用有源陣列天線和波束成形網絡，實現波束位移、形變及數量調節等。

2）射頻前端部分對應頻譜管理和功率分配的靈活性，主要利用靈活變頻器以及帶寬、中心頻點可調濾波器，改變單個信道的頻譜特性，而可步進式調整的功率放大器與上述設備配合，能夠對業務數據的傳輸速率等進行按需調節。

3）中頻/基帶處理單元部分對應鏈路互聯互通與協議體制調節方面的靈活性，分別利用數字信道化器在中頻進行精細分路和交換，利用完全再生式的星載處理器進行解調、譯碼后進行數據處理和分組交換路由等，支持相應的網絡協議等。

從當前的系統應用情況來看，天線與射頻部分實現的靈活效果直接、可見，而且在各類系統中已得到一些初步的應用，實現途徑也相對成熟，因此更受傳統運營商的重視。互聯互通與協議體制靈活度則依賴于不同程度的星上處理能力，代表了更高層次的載荷要求，是未來地球靜止軌道（GEO）通信衛星的主要發展方向。此外，國外近年來也在基于軟件無線電的靈活載荷方面投入了較多的研究。本文主要結合各國在相應技術方向的發展情況和典型產品進行分析。

2 靈活有效載荷關鍵技術

靈活的天線技術

可調節的天線系統主要用于實現靈活的波束覆蓋能力。此類靈活天線既可以是無源天線，也可以是有源天線。無源天線定義為單個輻射單元，對應單通道單功率放大器。無源天線既可以是機械可重構，也可以是電控重構模式。而有源天線定義為多個輻射單元且每個輻射單元使用相應的功率放大裝置。

（1）傳統無源反射面天線

天線指向調節是控制覆蓋位置靈活性的重要途徑，但傳統的通信衛星對應寬波束或賦球波束。天線指向調節主要用于校正實際覆蓋區域與設計目標的吻合度，因此調節機構的幅度限制較大，波束位置可在小范圍移動。針對高機動性用戶（如軍用偵察無人機等）的需求，一些衛星設計有可移動點波束，波束位置可以在衛星的視場范圍內任意移動。

勞拉空間系統公司機械靈活天線在1倍（左）、1.3倍（右）焦距對應波束覆蓋情況

美國勞拉空間系統公司（SS/L）設計出一種雙反射面機械可重構天線，能產生一個圓形或者橢圓形波束，其波束中心不僅可以通過控制主反射面沿軸的轉動達到不同指向的功能，而且如果波束是橢圓形波束要求，還可以通過旋轉副反射面來實現橢圓波束旋轉的目的。另一方面，該公司設計的上述天線還可通過位于調節軸（反射面焦點與反射面中心連線）上的機械控制裝置，調整饋源與反射面距離，從而改變焦距，可以將天線的波束寬度從1°最大擴張至7°。但這種使用機械調整的可重構天線的靈活度相對較低，只能實現一定比例的縮放波束大小，但波束形狀無法按照需要任意改變。

（2）有源陣列天線

依靠陣列天線配合波束形成器，可以實現更大靈活度波束形狀和數量調節，有源陣列天線主要負責波束的產生和放大，波束成形器則主要通過控制輻射單元的幅度、相位與開關來改變波束。目前國外集中關注兩類天線，即陣列饋電反射面天線（AFR）和直接輻射陣列天線（DRA）。

1）陣列饋電反射面天線。該天線主要依賴位于反射器焦平面的前置/偏置饋源陣列來形成單個寬波束或多個點波束，其靈活性實現是通過與饋源陣列對應的波束形成網絡來控制和改變波束形狀與數量。在應用方面，對于單波束情況，可以利用多個橫向偏焦饋源來獲得符合特殊要求的天線方向圖，從而改變波束的形狀。目前，該技術已在工程實踐中得到了較為成熟的應用。

對于多波束覆蓋情況下，最窄的點波束決定了天線的口徑，目標覆蓋區域的尺寸則決定了饋源陣的大小。設計時，必須考慮在饋源陣子數量和波束方向性、旁瓣控制和覆蓋性能之間進行權衡。歐洲空客防務與航天公司（ADS）設計出一種有源靈活多波束反射面天線系統。該天線系統可以實現對每個波束輻射元的激勵都是完全獨立的，此外波束形成網絡具備可重構能力。在反射器的指向發生偏移的情況下，傳統固定式波束形成網絡產生的邊緣波束形狀失真、信號強度顯著降低的現象，而具備可重構能力的波束形成網絡經過優化調整后，邊緣的覆蓋情況有了明顯改善。

指向失誤情況下傳統固定多波束覆蓋（左）與靈活多波束校正覆蓋（右）情況

總體而言，此類天線用于靈活覆蓋的優勢在于：①天線中所用的可變功分器（VPD）和可變相移器（VPS）等控制元件在通信衛星中已得到成熟應用，該方案風險相對較低；②相比傳統模式下只能通過增加冗余天線來滿足需求，靈活的在軌波束賦形能力可以大幅節省星上空間。但其弊端在于：①與傳統天線配置模式相比，高功率波束成形網絡存在不可忽略的損耗，因此需要更大的功率才能達到相同的等效全向輻射功率（EIRP），這也導致了效率上的折損；②雖然理論上有可能實現收發共用，但實際中，因為波束成形網絡在與饋源、雙工器封裝時的復雜度較大，導致絕大多數天線必須采用收發分置。

原阿斯特留姆公司研制的Ku頻段DRA天線結構（左）和8×8天線輻射元陣列樣機（右）

2）直接輻射陣列天線。該天線無需反射器，利用天線輻射元陣列和波束形成網絡直接形成點波束和賦形波束，通過移相器改變相位、功率分配網絡改變幅度后控制波束形狀，形成連續或非連續性的覆蓋。對于多波束情況，主要存在2種波束形成和調節機制，一是每個波束對應1個/多個陣元，具備相互獨立的波束形成和指向控制網絡，這種情況下天線的質量和復雜程度正比于需要同時產生的波束數量，當需要同時產生的波束數較多時，就不太實用；二是所有波束共享1個公共的天線輻射元陣列，通過巴特勒矩陣在空間產生多個波束。從技術應用情況來看，國外目前僅在一些軍用衛星和高復雜度的商業衛星上采用了此類天線，如“銥”（Iridium）衛星，造價昂貴。

歐洲原阿斯特留姆公司（Astrium）研制的名為“直接輻射陣列電調天線”（DRA-ELSA）的Ku頻段（14.25～14.5GHz）接收天線，采取上述第一種靈活賦形機制，由約100個輻射元經過25:1的對應關系形成4個相互獨立點波束，波束的標準配置寬度為0.75°。根據任務需求，通過地面指令控制輻射元陣列的相位/幅度激勵配置，達到波束形狀可變而且能夠在衛星可見視場范圍內任意調節指向，具備靈活的覆蓋能力。整個天線系統質量約60kg，所需功耗低于60W，輻射元陣列先按照2×2結構制成子陣列塊，然后再組裝為整個陣列板。

DRA-ELSA天線按照不同任務需求，在美洲區域形成不同形狀和位置的靈活波束賦形示意圖

總體而言，直接輻射陣列天線用于靈活覆蓋的優勢在于：①可靠性高，所有的輻射元都可用于形成所有波束，在某個射頻通道失效或者期間器件老化導致波束指向不準的情況下，重新校準、糾錯能力較好；②抗干擾能力強，可精密控制天線輻射方向圖，可以實現低副瓣、自適應調零等功能，抑制各種上行有意敵對和無意干擾；③具有空間功率合成能力，天線每個輻射單元對應1個功放，多個輻射單元功放在空間合成的總功率比單個發射機的功率大得多，可以實現更高的EIRP值。

此類天線的主要弊端：①結構復雜、造價昂貴。微波組件如發射/接收（T/R）組件、移相器、微波網絡數量眾多。②功耗和熱耗較大，由于天線中射頻通道數量較多，衛星應用不同于地面系統應用，需要衛星提供較大的質量及功率資源。

數字/模擬波束形成網絡性能特點對比

3）波束成形網絡。如前所述，波束成形網絡是實現有源陣列天線靈活性的核心，目前主要存在模擬和數字2種波束形成方案。在單波束情況下，兩者優劣并不明顯。但在多波束應用中，數字波束成形技術更利于未來構建通用化、標準化的靈活載荷架構。此外可形成的波束數量理論無上限，主要受饋源/輻射元陣列的數量約束。從這個角度來說，數字波束形成網絡是衛星提供超高通量的關鍵所在。而模擬波束成形技術所能形成的波束數量相對有限（一般小于32個），但技術實現難度較低，可以依靠跳波束技術實現容量的倍增，如典型的32個瞬時波束在8倍跳變下，可以最終覆蓋多達256個不同的潛在區域。

靈活的射頻技術

在射頻部分，靈活性主要體現在頻率轉換、帶寬以及功率特性等方面，依靠處理鏈路中的變頻器、濾波器和放大器的調節功能實現。

（1）靈活變頻器

變頻器是衛星上下行頻率轉換的重要設備，也是實現頻譜靈活性的關鍵。變頻器主要由本地晶振、混頻器等組成，分為傳統模擬變頻器和數字變頻器2種。

美國勞拉空間系統公司結合當前衛星不斷向Ku/Ka等高頻段應用拓展的背景，針對傳統模擬變頻器特點，提出了實現更寬頻率的適應性和敏捷調整能力的方案。按照該公司的方案，上述變頻器的部件都要進行適應性的調整，①要采用靈活的本地晶振，通過使用可選、可控本地晶振，使得工作本振頻率在多個本振源之間實現快速的切換；②采用性能優化的混頻器，以改善寬頻帶工作時的雜波性能；③此外，要采用寬帶的低噪放大器（LNA），使得信號可以兼容更寬的帶寬。通過上述方案，可實現寬頻帶內的靈活頻譜方案調整，但需要指出的是，多個備選本振源將帶來較大冗余成本，從而增大載荷負擔。

勞拉空間系統公司可選本振的靈活頻率轉換器（側面與俯視視圖）

歐洲泰雷茲－阿萊尼亞航天公司（TAS）自2008年6月起，開始在通信系統預先研究－3～4（ARTES－3～4）計劃下針對寬帶衛星開展敏捷/靈活有效載荷部件研究，研制出了敏捷/靈活頻率變換器、頻率生成單元等多個工程樣機。其敏捷/靈活頻率變換器采用兩次變換的策略，輸入頻率為Ku頻段（13～14GHz），輸出頻率為Ka頻段（19～21.2GHz），輸入輸出的頻率都是靈活可選的，此外，通過對中頻的信道濾波器進行設置也可以靈活改變信道的帶寬。頻率生成單元能夠產生多個參考頻率，且能夠實現較好的相位噪聲性能，支持有效載荷在較寬的頻率范圍內實現復雜的頻率變換方案。

（2）靈活濾波器

靈活濾波器的概念是指濾波器在不做硬件變動條件下，通過外加條件的改變來配置工作模式，實現中心頻率、帶寬、零點等特性的實時調控，從而適應不同的應用需求。國外對于地面通信系統的靈活濾波器的研究起步較早，技術解決途徑主要包括采用變容半導體二極管、對直流電壓變化敏感的釔鐵石榴石（YIG）和鐵氧體等鐵磁體振蕩器以及壓電體、微機電系統（MEMS）等作為調諧元件，但總體而言，在衛星通信領域開展研究與應用的極少。

目前來看，國外主要以歐洲泰雷茲－阿萊尼亞航天公司為代表，在衛星靈活濾波器領域與學術界開展了一些合作研究。

射頻微機電濾波器是一種將電容、電感、開關等無源器件單片集成而得到的功耗低、線性度高的電調濾波器。泰雷茲－阿萊尼亞航天公司研制的濾波器采用了微機電系統開關和電容組合而成的開關網絡作為調諧元件，通過微機電系統開關來改變開關電容網絡的電容值，從而改變濾波器的中心頻率。由于微機電系統開關的數量決定了整個開關電容網絡的可變容值數量，所以這種濾波器的中心頻率是有限個離散的頻率點，其優點是中心頻率的可調范圍比較大。下圖給出了該研究得到的一種基于氧化鋁的2GHz調諧濾波器，可以實現50%的中心頻率（共9種中心頻率工作模式，調諧范圍1.4～2.4GHz，步長約0.1GHz）與帶寬調整幅度，而且具備小尺寸、低損耗的特點。

泰雷茲－阿萊尼亞航天公司與法國國家空間研究中心（CNES）研制的RF-MEMS調諧濾波器（左）及中心頻率調整圖（右）

基于基片集成波導（SIW）陶瓷的調諧濾波器是另一種解決途徑。基片集成波導技術主要通過在上下面為金屬層的介質基片里，利用相鄰很近的金屬化通孔陣列形成電壁，從而構成具有低損耗、低輻射等高品質因數特性的新型導波結構。泰雷茲－阿萊尼亞航天公司開發的該濾波器主要計劃通過可變容的PIN二極管對開路枝節進行切換就改變諧振器間的耦合，從而實現不同的帶寬。但目前仍處于研究階段，尚未有工程樣機和應用對外公布。總體而言，靈活的濾波器對于星上頻率方案的管理和調整十分重要，是實現載荷靈活性的關鍵設備之一。

（3）靈活功率放大器

靈活的功率管理主要依靠功率可調放大器以及多端口放大器（MPA）實現。

1）功率可調放大器。行波管放大器（TWTA）是典型通信衛星載荷的關鍵部分，也是使用量最多的單機，一般而言，星上電源功率的80%都供給行波管放大器，其技術特性對衛星整體運行效率影響極大。功率可調行波管放大器的特征是，它在不同功率電平下均可以飽和狀態工作，以獲得穩定的功率輸出及對輸入功率的不敏感性，放大器的效率保持在較高的水平。其實現主要依靠優化設計螺旋線的行波管、電子功率調節器（EPC）和帶增益補償的線性通道放大器（LCAMP）的配合，原理是通過功率調節器利用指令控制放大器陰極電流、行波管螺旋極和收集極電壓，使行波管的飽和輸出功率在一定范圍內進行調節。

目前，國外進行空間功率可調放大器研究的機構主要有法國泰雷茲－阿萊尼亞航天公司和德國特薩特空間通信公司（Tesat Spacecom）。前者不僅制造行波管，也研制行波管放大器；后者則以整機研制為主。2009年，泰雷茲－阿萊尼亞航天公司在ESA的ARTES－3項目框架下開展了Ku頻段功率可調線性通道行波管放大器的研制工作。

泰雷茲－阿萊尼亞航天公司研制的Ku頻段功率可調線性通道行波管放大器性能

德國特薩特空間通信公司針對傳統轉發器采用回退法控制功率導致功放效率降低、熱耗增加的現象，在2009年開發了一種功率可調的微波功率模塊（MPM），其飽和功率可通過在軌功率調節器（IOA）的64個狀態設置實現對輸出功率的小步長（1W/每步）的精確控制。目前，該模塊已經成功應用于英國Ka頻段的高適應性衛星－1（Hylas－1）上。該衛星通過地面發送指令控制微波功率模塊，可以靈活地調整飽和發射功率值，調整范圍在3dB左右，而且在此范圍內，行波管的效率沒有明顯的下降。

總體而言，國外在功率可調放大器技術方面的研究已取得了較大的進展，最廣泛應用于Ku/Ka等高頻段衛星鏈路對抗雨衰進行的自適應調整中。目前來看，功率調節對行波管性能的影響主要是增益下降，對射頻性能的影響是非常有限的，不影響行波管的工作可靠性、使用壽命和頻率響應，對線性特性影響也非常小。

2）多端口放大器。多端口放大器的概念最早源于20世紀60年代的巴特勒（Butler）矩陣理念，于1974年由美國通信衛星公司（COMSAT）的實驗室首次應用于衛星轉發器中。此后，日本的研究機構對基于Butler矩陣的多端口放大器進行了改進，提出了基于混合矩陣（Hybrid Matrix）的多端口放大器。混合矩陣相比Butler矩陣不需要多個固定相移器，具有設計簡單、插入損耗小、隔離度好等特點，成功應用于日本2000年發射的“多用途運輸衛星”（MTSAT）上，但并不具備靈活功率分配能力。

空客防務與航天公司開發的多端口放大器接線結構（上）和輸入/輸出網絡電路板（下）

目前，靈活的多端口放大器主要適用于每個波束單獨饋電的多波束天線。其結構中包括多個并聯的放大器單元，每個輸入端口的信號都被均等地提供給了每個放大器單元，從而將各端口功率集中為“資源池”（power pool），提供了可在輸入端口之間動態的且以高度靈活的方式共享輸出功率，為實現衛星通信多波束天線波束發射功率的靈活性提供了可能。這種放大器既提高了功放的利用率，同時也減小了由單個功放失效所帶來的影響。

歐洲空客防務與航天公司在ESA的ARTES－5.2計劃下，研制了一款8×8的Ku頻段（10.7～12.75GHz）基于行波管放大器的多端口放大器，已經成功應用于歐洲衛星通信公司2017年發射的歐洲通信衛星－172B（Eutelsat－172B），主要由輸入功率分配網絡（INET）、輸出功率集成網絡（ONET）和包含多個并行放大器的功率冗余網絡組成，可以在軌實現靈活的功率分配能力。

總體而言，多端口放大器因為具備良好的多級同步長功率調節能力，已在多類通信衛星中得到廣泛應用。相比功率可調型放大器，其在衛星多波束覆蓋的場景下使用的經濟性更高。目前，國外成熟的多端口放大器產品集中在S、L等移動通信頻段，隨著高通量衛星應用的增多，從2010年左右逐步啟動研制Ku、Ka等高頻段的對應產品。未來，多端口放大器在放大部分采用多個并行的靈活功率可調放大器也開始受到關注，兩者的結合，可以進一步提升功率調整范圍與精細度，是業界的重點技術攻關方向。（未完，待續）