38卫星地球站

第6章卫星地球站本章要点:•6.1概述•6.2地球站设备的组成原理•6.3地球站射频基本性能•6.4天线、馈源和跟踪系统•6.5射频(RF)分系统•6.6固定和广播卫星业务地球站6.1概述•地球站是指在地球表面（包括陆地、水上和大气层中）的通信站。•地球站的功能是以最佳的性能价格比和可靠的方式，从卫星网络中接收信息或发送信息到卫星网络，同时保持要求的信号质量。•根据不同的业务要求，地球站既可以同时具有发送和接收能力，也可以只有发送或只有接收能力。•还可以进一步根据服务类型来分类，通常对固定卫星业务(FSS)、广播卫星业务(BSS)和移动卫星业务(MSS)，设计准则是不同的。表6-1地球站的分类业务地球站类型近似G/T值(dB/K)注解FSS:固定业务地球站大中小很小很小4030252012发送/接收单收MSS：移动业务地球站大中小-4-12-24要求跟踪要求跟踪没有跟踪BSS：直播用户地球站大小158社区接收个体接收描述地球站性通能的基本参数•G/T值---接收天线增益对噪声温度比值，又称地球站的品质因数。•G/T值表示一个地球站的接收能力强弱，G/T值越高就意味着这个地球站的接收能力越强。•G是天线的增益•λ为工作波长，D为天线的直径，η为天线的效率。从上式可以看出，天线的增益与天线口面直径D的平方成正比、与波长成反比，与效率成正比。2ADG(dB)D10G2Alog描述地球站性通能的基本参数•T是系统的等效噪声温度•噪声温度的单位常用°K来表示•上式中，TA为天线的噪声温度，它反映了天线受环境的影响和天线损耗。•天线的噪声温度随仰角的不同而变化，仰角越低，噪声温度越大。例如当仰角为5°时，TA大约为45°K，而仰角为30°时，TA为20°K左右。•Te为高频头的噪声度，通常有25°K、30°K、35°K到50°K、60°K等不同档次。eATTT•影响G/T值大小的因素：天线口径大小、天线的增益、天线的仰角、天线、馈线和低噪声放大变频器的噪声温度以及气候条件等描述地球站性通能的基本参数•EIRP---有效全向辐射功率是指高功放的输出功率与天线增益的乘积。•如果用PT表示天线馈源口的输入功率，GT是发射天线增益，则地球站的有效全向辐射功率可以用下式表示：EIRP＝PTGT•有效全向辐射功率表示地球站或卫星的发射能力的强弱。地球站设计考虑一个地球站的设计与很多因素有关，主要有：•服务类型：固定卫星业务、广播卫星业务或移动卫星业务；•通信业务类型：电话、数据和电视等；•终端站对基带信号质量的要求；•业务要求：信道数，业务类型(连续的或突发的)；•价格和可靠性。•设计过程可以用两个主要步骤来区分。•第一步是基于整个系统的要求，由此形成地球站的基本参量，如地球站的品质因数（G/T）值、发射功率、多址联接方案等；•第二步是地球站设计师和工程师以最佳的性能价格比，使设备配置设法达到上述性能指标。•要使整个系统的价格最低，还需要考虑包括空间段和地面段设备开发和批量制造的价格。设计最佳化过程中会进行某些折衷。•卫星通信发展早期，来自卫星的可用等效全向辐射功率较小，因而地球站设备很复杂，而且昂贵。地球站采用30m直径的大天线，价格自然会很昂贵(约上百万美元)。•目前的趋向是以复杂的空间段为代价，以使地球站设备尽可能简单，特别是在面向广大用户群的应用中(如卫星直接广播、卫星移动和商业应用等)。在这些应用中，小地球站的价格和可用度对整个系统的经济生命会起关键作用。•下面是一个卫星链路方程，我们从中可以理解设计应用中的某些折衷：•式中，C/N0为载波功率对噪声功率谱密度，EIRPs为卫星的有效全向辐射功率，Lp为传播损耗，Lm为链路余量，k为玻尔兹曼常数。一个有用的最佳化准则是使地球站灵敏度(量化为G/T值)最小，即地球站价格最低。因而，为获得要求的基带信号质量，需要使等式右边的参量之和最小。k)LL(EIRPN/CT/GmpS06.2地球站设备的组成原理•一般的通信地球站都是由天线、发射设备、接收设备、信道终端设备、通信控制器和电源六大部分组成。图6-1通信地球站组成示意图基带处理及调制器调制器及基带处理上变频器下变频器功率放大器低噪声放大器下变频器射频合路器射频合路器双工器天线天线驱动装置跟踪装置（接收设备）馈线（发射设备）（信道终端）（天线、馈线设备）跟踪伺服设备馈线基带信号基带信号1．天线系统•天线系统包括天线、馈源及伺服跟踪设备。•对地球站天线有三个基本要求，一是有高的定向增益，二是天线的噪声温度一定要低，三是天线始终对准卫星。•地球站的天线是收、发共用的，因此必须有双工器对收--发进行隔离。大型地球站为了使天线始终对准卫星，调整天线的指向问题分为定向和跟踪两个方面。定向与跟踪相结合，能够较快地实现初始捕获和保持精度的跟踪。•由于卫星通信大都工作于微波频段，所以地球站天线通常是抛物面天线，目前主要用卡塞格伦天线。天线结构分类基于它们的几何形状，地球站可以使用具有轴对称和非轴对称的天线结构。1．轴对称结构天线•在轴对称结构中，天线轴相对反射器是对称的，这导致机械结构和天线构造相对比较简单。一直到最近，轴对称天线一直被广泛应用。按照馈源的装置不同，可能有多种结构，最广泛采用的三种结构是：•(1)喇叭抛物面天线•(2)卡塞格伦天线系统•(3)极轴天线(1)喇叭抛物面天线•喇叭抛物面天线又称主焦点馈源天线。它由一个抛物面反射器和馈源组成，信号是由位于抛物面焦点的主馈源馈送的。(2)卡塞格伦天线系统•由一个喇叭主反射器和一个双曲面副反射器共享同一焦F1所组成，主馈源位于副反射器的第二个焦点F2上。主馈源发出的电磁波被副反射器反射后到达主反射器(3)极轴天线•极轴天线围绕一根与地球极轴平行的单轴旋转，可以扫瞄整个静止轨道弧，这种天线特别适用于经常要更换指向的应用中，如指向新的直播卫星。2．非轴对称结构(偏馈天线)•轴对称结构由于馈源和副反射器的组装，部分孔径被阻塞使性能受到影响，结果是降低了天线效率，增大了副瓣电平。非轴对称结构可以将馈源结构偏离开轴向装配，如图6-7所示，从而不会阻塞主波束，结果使效率和副瓣电平的性能都获得改善。天线安装通常使用的天线安装装置有多种类型，在中型和大型地球站最常使用的两种装置是：•(1)方位角--仰角装置；•(2)x-y轴装置。•方位角--仰角装置如图6-8(a)所示，由一根主垂直轴和一根水平轴组成。围绕这根主垂直轴旋转控制方位角；水平轴装在这根主垂直轴上，提供仰角控制。•方位角--仰角装置如图6-8(a)所示，由一根主垂直轴和一根水平轴组成。围绕这根主垂直轴旋转控制方位角；水平轴装在这根主垂直轴上，提供仰角控制。•x-y轴装置如图6-8(b)所示，由一根水平方向的主轴(x轴)和垂直装在x轴上面的另一根轴(y轴)所组成。围绕这两根轴运动，就可提供需要的方位控制。卫星数据接收设备的安装与调试•卫星数据接收设备的安装与调试馈源系统1．主馈源系统功能•目前用于地球站的主馈源系统，要完成多项功能。这些功能与地球站的类型有关，其功能有：•照射整个主反射器；•将发送和接收信号频带隔离开；•在双极化系统中分离和组合信号极化；•为某些类型的卫星跟踪系统提供误差信号。2．喇叭馈源•通常用一个小喇叭天线作为微波频率的主馈源。•喇叭天线由一个口子张开的波导组成，在发送端口它向外伸展，使得波导阻抗与自由空间的阻抗匹配，以保证发射功率的有效转移。•孔径的形状可以是矩形或圆形。•圆形孔径喇叭称为圆锥形喇叭，在地球站中被广泛用作主馈源。跟踪系统•在地球站天线处观察，当卫星漂移占地球站天线半功率点波束宽度很大部分时，为了避免天线指向损耗过大，必须要采用跟踪系统.•对地球站天线跟踪系统的要求是，能部分或全部执行下列功能：•(1)卫星搜索•(2)自动跟踪•(3)手工跟踪•(4)程序跟踪•通常用于卫星跟踪的，主要有三种自动跟踪系统，即步进跟踪系统、单脉冲跟踪技术和智能跟踪射频(RF)分系统•发送设备•接收设备固定和广播卫星业务地球站•1．大型地球站原理框图广播卫星业务(BSS)地球站和卫星电视接收