国外通信卫星灵活有效载荷技术与趋势研究（上）

朱贵伟 李博（北京空间科技信息研究所）

随着容量性能、设计寿命的不断提升，通信卫星在轨工作期间如何更加高效地服务不同区域、不同时域的不同应用需求，提升转发器利用效率，提高收入回报，是通信卫星运营商近年来关注的焦点问题，灵活有效载荷的概念应运而生。2008年，欧洲航天局（ESA）组织召开第一届先进灵活通信载荷工作会后，工业界开始大规模重视该领域的发展，并取得了较多进展。

1 灵活有效载荷技术体系

通信卫星质量、功率和结构空间是载荷灵活性的最大约束条件，传统的卫星灵活性设计主要通过星上关键通信设备的冗余配置实现，这样就会产生额外的星上资源开销，从而导致灵活性和整星通信容量之间的矛盾。因此，随着技术的演进，卫星灵活性在实现途径上一个很重要的原则就是不过度增加载荷负担。

灵活有效载荷关键技术体系

目前来看，根据任务类型和需求的不同，国外对通信卫星载荷各层级的灵活性，主要依靠对传统星上通信链路所涉及各个单机/元器件环节的技术改进，而非增加冗余度的方式实现，可分为天线、射频前端、中频/基带处理单元三大部分，本文据此对灵活有效载荷涉及的关键技术进行了梳理。

总体来看，目前各技术领域的发展水平和成熟度差别较大，而且这些灵活度的作用和效果各不相同。

1）天线部分侧重波束覆盖能力的灵活性，主要利用传统无源反射面天线的机械/电调节，实现波束移动与尺寸缩放，利用有源阵列天线和波束成形网络，实现波束位移、形变及数量调节等。

2）射频前端部分对应频谱管理和功率分配的灵活性，主要利用灵活变频器以及带宽、中心频点可调滤波器，改变单个信道的频谱特性，而可步进式调整的功率放大器与上述设备配合，能够对业务数据的传输速率等进行按需调节。

3）中频/基带处理单元部分对应链路互联互通与协议体制调节方面的灵活性，分别利用数字信道化器在中频进行精细分路和交换，利用完全再生式的星载处理器进行解调、译码后进行数据处理和分组交换路由等，支持相应的网络协议等。

从当前的系统应用情况来看，天线与射频部分实现的灵活效果直接、可见，而且在各类系统中已得到一些初步的应用，实现途径也相对成熟，因此更受传统运营商的重视。互联互通与协议体制灵活度则依赖于不同程度的星上处理能力，代表了更高层次的载荷要求，是未来地球静止轨道（GEO）通信卫星的主要发展方向。此外，国外近年来也在基于软件无线电的灵活载荷方面投入了较多的研究。本文主要结合各国在相应技术方向的发展情况和典型产品进行分析。

2 灵活有效载荷关键技术

灵活的天线技术

可调节的天线系统主要用于实现灵活的波束覆盖能力。此类灵活天线既可以是无源天线，也可以是有源天线。无源天线定义为单个辐射单元，对应单通道单功率放大器。无源天线既可以是机械可重构，也可以是电控重构模式。而有源天线定义为多个辐射单元且每个辐射单元使用相应的功率放大装置。

（1）传统无源反射面天线

天线指向调节是控制覆盖位置灵活性的重要途径，但传统的通信卫星对应宽波束或赋球波束。天线指向调节主要用于校正实际覆盖区域与设计目标的吻合度，因此调节机构的幅度限制较大，波束位置可在小范围移动。针对高机动性用户（如军用侦察无人机等）的需求，一些卫星设计有可移动点波束，波束位置可以在卫星的视场范围内任意移动。

劳拉空间系统公司机械灵活天线在1倍（左）、1.3倍（右）焦距对应波束覆盖情况

美国劳拉空间系统公司（SS/L）设计出一种双反射面机械可重构天线，能产生一个圆形或者椭圆形波束，其波束中心不仅可以通过控制主反射面沿轴的转动达到不同指向的功能，而且如果波束是椭圆形波束要求，还可以通过旋转副反射面来实现椭圆波束旋转的目的。另一方面，该公司设计的上述天线还可通过位于调节轴（反射面焦点与反射面中心连线）上的机械控制装置，调整馈源与反射面距离，从而改变焦距，可以将天线的波束宽度从1°最大扩张至7°。但这种使用机械调整的可重构天线的灵活度相对较低，只能实现一定比例的缩放波束大小，但波束形状无法按照需要任意改变。

（2）有源阵列天线

依靠阵列天线配合波束形成器，可以实现更大灵活度波束形状和数量调节，有源阵列天线主要负责波束的产生和放大，波束成形器则主要通过控制辐射单元的幅度、相位与开关来改变波束。目前国外集中关注两类天线，即阵列馈电反射面天线（AFR）和直接辐射阵列天线（DRA）。

1）阵列馈电反射面天线。该天线主要依赖位于反射器焦平面的前置/偏置馈源阵列来形成单个宽波束或多个点波束，其灵活性实现是通过与馈源阵列对应的波束形成网络来控制和改变波束形状与数量。在应用方面，对于单波束情况，可以利用多个横向偏焦馈源来获得符合特殊要求的天线方向图，从而改变波束的形状。目前，该技术已在工程实践中得到了较为成熟的应用。

对于多波束覆盖情况下，最窄的点波束决定了天线的口径，目标覆盖区域的尺寸则决定了馈源阵的大小。设计时，必须考虑在馈源阵子数量和波束方向性、旁瓣控制和覆盖性能之间进行权衡。欧洲空客防务与航天公司（ADS）设计出一种有源灵活多波束反射面天线系统。该天线系统可以实现对每个波束辐射元的激励都是完全独立的，此外波束形成网络具备可重构能力。在反射器的指向发生偏移的情况下，传统固定式波束形成网络产生的边缘波束形状失真、信号强度显著降低的现象，而具备可重构能力的波束形成网络经过优化调整后，边缘的覆盖情况有了明显改善。

指向失误情况下传统固定多波束覆盖（左）与灵活多波束校正覆盖（右）情况

总体而言，此类天线用于灵活覆盖的优势在于：①天线中所用的可变功分器（VPD）和可变相移器（VPS）等控制元件在通信卫星中已得到成熟应用，该方案风险相对较低；②相比传统模式下只能通过增加冗余天线来满足需求，灵活的在轨波束赋形能力可以大幅节省星上空间。但其弊端在于：①与传统天线配置模式相比，高功率波束成形网络存在不可忽略的损耗，因此需要更大的功率才能达到相同的等效全向辐射功率（EIRP），这也导致了效率上的折损；②虽然理论上有可能实现收发共用，但实际中，因为波束成形网络在与馈源、双工器封装时的复杂度较大，导致绝大多数天线必须采用收发分置。

原阿斯特留姆公司研制的Ku频段DRA天线结构（左）和8×8天线辐射元阵列样机（右）

2）直接辐射阵列天线。该天线无需反射器，利用天线辐射元阵列和波束形成网络直接形成点波束和赋形波束，通过移相器改变相位、功率分配网络改变幅度后控制波束形状，形成连续或非连续性的覆盖。对于多波束情况，主要存在2种波束形成和调节机制，一是每个波束对应1个/多个阵元，具备相互独立的波束形成和指向控制网络，这种情况下天线的质量和复杂程度正比于需要同时产生的波束数量，当需要同时产生的波束数较多时，就不太实用；二是所有波束共享1个公共的天线辐射元阵列，通过巴特勒矩阵在空间产生多个波束。从技术应用情况来看，国外目前仅在一些军用卫星和高复杂度的商业卫星上采用了此类天线，如“铱”（Iridium）卫星，造价昂贵。

欧洲原阿斯特留姆公司（Astrium）研制的名为“直接辐射阵列电调天线”（DRA-ELSA）的Ku频段（14.25～14.5GHz）接收天线，采取上述第一种灵活赋形机制，由约100个辐射元经过25:1的对应关系形成4个相互独立点波束，波束的标准配置宽度为0.75°。根据任务需求，通过地面指令控制辐射元阵列的相位/幅度激励配置，达到波束形状可变而且能够在卫星可见视场范围内任意调节指向，具备灵活的覆盖能力。整个天线系统质量约60kg，所需功耗低于60W，辐射元阵列先按照2×2结构制成子阵列块，然后再组装为整个阵列板。

DRA-ELSA天线按照不同任务需求，在美洲区域形成不同形状和位置的灵活波束赋形示意图

总体而言，直接辐射阵列天线用于灵活覆盖的优势在于：①可靠性高，所有的辐射元都可用于形成所有波束，在某个射频通道失效或者期间器件老化导致波束指向不准的情况下，重新校准、纠错能力较好；②抗干扰能力强，可精密控制天线辐射方向图，可以实现低副瓣、自适应调零等功能，抑制各种上行有意敌对和无意干扰；③具有空间功率合成能力，天线每个辐射单元对应1个功放，多个辐射单元功放在空间合成的总功率比单个发射机的功率大得多，可以实现更高的EIRP值。

此类天线的主要弊端：①结构复杂、造价昂贵。微波组件如发射/接收（T/R）组件、移相器、微波网络数量众多。②功耗和热耗较大，由于天线中射频通道数量较多，卫星应用不同于地面系统应用，需要卫星提供较大的质量及功率资源。

数字/模拟波束形成网络性能特点对比

3）波束成形网络。如前所述，波束成形网络是实现有源阵列天线灵活性的核心，目前主要存在模拟和数字2种波束形成方案。在单波束情况下，两者优劣并不明显。但在多波束应用中，数字波束成形技术更利于未来构建通用化、标准化的灵活载荷架构。此外可形成的波束数量理论无上限，主要受馈源/辐射元阵列的数量约束。从这个角度来说，数字波束形成网络是卫星提供超高通量的关键所在。而模拟波束成形技术所能形成的波束数量相对有限（一般小于32个），但技术实现难度较低，可以依靠跳波束技术实现容量的倍增，如典型的32个瞬时波束在8倍跳变下，可以最终覆盖多达256个不同的潜在区域。

灵活的射频技术

在射频部分，灵活性主要体现在频率转换、带宽以及功率特性等方面，依靠处理链路中的变频器、滤波器和放大器的调节功能实现。

（1）灵活变频器

变频器是卫星上下行频率转换的重要设备，也是实现频谱灵活性的关键。变频器主要由本地晶振、混频器等组成，分为传统模拟变频器和数字变频器2种。

美国劳拉空间系统公司结合当前卫星不断向Ku/Ka等高频段应用拓展的背景，针对传统模拟变频器特点，提出了实现更宽频率的适应性和敏捷调整能力的方案。按照该公司的方案，上述变频器的部件都要进行适应性的调整，①要采用灵活的本地晶振，通过使用可选、可控本地晶振，使得工作本振频率在多个本振源之间实现快速的切换；②采用性能优化的混频器，以改善宽频带工作时的杂波性能；③此外，要采用宽带的低噪放大器（LNA），使得信号可以兼容更宽的带宽。通过上述方案，可实现宽频带内的灵活频谱方案调整，但需要指出的是，多个备选本振源将带来较大冗余成本，从而增大载荷负担。

劳拉空间系统公司可选本振的灵活频率转换器（侧面与俯视视图）

欧洲泰雷兹－阿莱尼亚航天公司（TAS）自2008年6月起，开始在通信系统预先研究－3～4（ARTES－3～4）计划下针对宽带卫星开展敏捷/灵活有效载荷部件研究，研制出了敏捷/灵活频率变换器、频率生成单元等多个工程样机。其敏捷/灵活频率变换器采用两次变换的策略，输入频率为Ku频段（13～14GHz），输出频率为Ka频段（19～21.2GHz），输入输出的频率都是灵活可选的，此外，通过对中频的信道滤波器进行设置也可以灵活改变信道的带宽。频率生成单元能够产生多个参考频率，且能够实现较好的相位噪声性能，支持有效载荷在较宽的频率范围内实现复杂的频率变换方案。

（2）灵活滤波器

灵活滤波器的概念是指滤波器在不做硬件变动条件下，通过外加条件的改变来配置工作模式，实现中心频率、带宽、零点等特性的实时调控，从而适应不同的应用需求。国外对于地面通信系统的灵活滤波器的研究起步较早，技术解决途径主要包括采用变容半导体二极管、对直流电压变化敏感的钇铁石榴石（YIG）和铁氧体等铁磁体振荡器以及压电体、微机电系统（MEMS）等作为调谐元件，但总体而言，在卫星通信领域开展研究与应用的极少。

目前来看，国外主要以欧洲泰雷兹－阿莱尼亚航天公司为代表，在卫星灵活滤波器领域与学术界开展了一些合作研究。

射频微机电滤波器是一种将电容、电感、开关等无源器件单片集成而得到的功耗低、线性度高的电调滤波器。泰雷兹－阿莱尼亚航天公司研制的滤波器采用了微机电系统开关和电容组合而成的开关网络作为调谐元件，通过微机电系统开关来改变开关电容网络的电容值，从而改变滤波器的中心频率。由于微机电系统开关的数量决定了整个开关电容网络的可变容值数量，所以这种滤波器的中心频率是有限个离散的频率点，其优点是中心频率的可调范围比较大。下图给出了该研究得到的一种基于氧化铝的2GHz调谐滤波器，可以实现50%的中心频率（共9种中心频率工作模式，调谐范围1.4～2.4GHz，步长约0.1GHz）与带宽调整幅度，而且具备小尺寸、低损耗的特点。

泰雷兹－阿莱尼亚航天公司与法国国家空间研究中心（CNES）研制的RF-MEMS调谐滤波器（左）及中心频率调整图（右）

基于基片集成波导（SIW）陶瓷的调谐滤波器是另一种解决途径。基片集成波导技术主要通过在上下面为金属层的介质基片里，利用相邻很近的金属化通孔阵列形成电壁，从而构成具有低损耗、低辐射等高品质因数特性的新型导波结构。泰雷兹－阿莱尼亚航天公司开发的该滤波器主要计划通过可变容的PIN二极管对开路枝节进行切换就改变谐振器间的耦合，从而实现不同的带宽。但目前仍处于研究阶段，尚未有工程样机和应用对外公布。总体而言，灵活的滤波器对于星上频率方案的管理和调整十分重要，是实现载荷灵活性的关键设备之一。

（3）灵活功率放大器

灵活的功率管理主要依靠功率可调放大器以及多端口放大器（MPA）实现。

1）功率可调放大器。行波管放大器（TWTA）是典型通信卫星载荷的关键部分，也是使用量最多的单机，一般而言，星上电源功率的80%都供给行波管放大器，其技术特性对卫星整体运行效率影响极大。功率可调行波管放大器的特征是，它在不同功率电平下均可以饱和状态工作，以获得稳定的功率输出及对输入功率的不敏感性，放大器的效率保持在较高的水平。其实现主要依靠优化设计螺旋线的行波管、电子功率调节器（EPC）和带增益补偿的线性通道放大器（LCAMP）的配合，原理是通过功率调节器利用指令控制放大器阴极电流、行波管螺旋极和收集极电压，使行波管的饱和输出功率在一定范围内进行调节。

目前，国外进行空间功率可调放大器研究的机构主要有法国泰雷兹－阿莱尼亚航天公司和德国特萨特空间通信公司（Tesat Spacecom）。前者不仅制造行波管，也研制行波管放大器；后者则以整机研制为主。2009年，泰雷兹－阿莱尼亚航天公司在ESA的ARTES－3项目框架下开展了Ku频段功率可调线性通道行波管放大器的研制工作。

泰雷兹－阿莱尼亚航天公司研制的Ku频段功率可调线性通道行波管放大器性能

德国特萨特空间通信公司针对传统转发器采用回退法控制功率导致功放效率降低、热耗增加的现象，在2009年开发了一种功率可调的微波功率模块（MPM），其饱和功率可通过在轨功率调节器（IOA）的64个状态设置实现对输出功率的小步长（1W/每步）的精确控制。目前，该模块已经成功应用于英国Ka频段的高适应性卫星－1（Hylas－1）上。该卫星通过地面发送指令控制微波功率模块，可以灵活地调整饱和发射功率值，调整范围在3dB左右，而且在此范围内，行波管的效率没有明显的下降。

总体而言，国外在功率可调放大器技术方面的研究已取得了较大的进展，最广泛应用于Ku/Ka等高频段卫星链路对抗雨衰进行的自适应调整中。目前来看，功率调节对行波管性能的影响主要是增益下降，对射频性能的影响是非常有限的，不影响行波管的工作可靠性、使用寿命和频率响应，对线性特性影响也非常小。

2）多端口放大器。多端口放大器的概念最早源于20世纪60年代的巴特勒（Butler）矩阵理念，于1974年由美国通信卫星公司（COMSAT）的实验室首次应用于卫星转发器中。此后，日本的研究机构对基于Butler矩阵的多端口放大器进行了改进，提出了基于混合矩阵（Hybrid Matrix）的多端口放大器。混合矩阵相比Butler矩阵不需要多个固定相移器，具有设计简单、插入损耗小、隔离度好等特点，成功应用于日本2000年发射的“多用途运输卫星”（MTSAT）上，但并不具备灵活功率分配能力。

空客防务与航天公司开发的多端口放大器接线结构（上）和输入/输出网络电路板（下）

目前，灵活的多端口放大器主要适用于每个波束单独馈电的多波束天线。其结构中包括多个并联的放大器单元，每个输入端口的信号都被均等地提供给了每个放大器单元，从而将各端口功率集中为“资源池”（power pool），提供了可在输入端口之间动态的且以高度灵活的方式共享输出功率，为实现卫星通信多波束天线波束发射功率的灵活性提供了可能。这种放大器既提高了功放的利用率，同时也减小了由单个功放失效所带来的影响。

欧洲空客防务与航天公司在ESA的ARTES－5.2计划下，研制了一款8×8的Ku频段（10.7～12.75GHz）基于行波管放大器的多端口放大器，已经成功应用于欧洲卫星通信公司2017年发射的欧洲通信卫星－172B（Eutelsat－172B），主要由输入功率分配网络（INET）、输出功率集成网络（ONET）和包含多个并行放大器的功率冗余网络组成，可以在轨实现灵活的功率分配能力。

总体而言，多端口放大器因为具备良好的多级同步长功率调节能力，已在多类通信卫星中得到广泛应用。相比功率可调型放大器，其在卫星多波束覆盖的场景下使用的经济性更高。目前，国外成熟的多端口放大器产品集中在S、L等移动通信频段，随着高通量卫星应用的增多，从2010年左右逐步启动研制Ku、Ka等高频段的对应产品。未来，多端口放大器在放大部分采用多个并行的灵活功率可调放大器也开始受到关注，两者的结合，可以进一步提升功率调整范围与精细度，是业界的重点技术攻关方向。（未完，待续）