Q/V波段通信卫星发展历程及应用现状

陈 棋，陈钰羽

（国家无线电监测中心云南监测站，云南 昆明 650031）

0 引言

随着各国航天工业迅猛发展和用户需求骤增，对通信卫星系统提出大通信容量、高数据传输速率和超宽带的需求，卫星频谱和轨道资源的需求也不断增加，通信卫星常规使用的C和Ku等微波资源趋于饱和，未来卫星通信亟须向Q/V、太赫兹以及激光等更高频段扩展。同时由于Q/V频段卫星通信具有高带宽、波束定向性好、干扰源少等优势，已成为下一代超高通量卫星系统的关键技术。

1 Q/V频段通信卫星系统概述

Q/V频段电磁波属于毫米波，Q频段范围为30~50 GHz，V频段则和50~75 GHz相对应，低端频段有部分与Ka频段（26.5~40 GHz）重叠[1]。Q/V频段通信卫星系统电磁波具有空间传播方向性好、干扰少、传播稳定等特点，适用于高速率、大容量数据传输的通信卫星。Q/V频段通信卫星系统如图1所示[2]。

图1 Q/V频段通信卫星系统

2 Q/V频段通信卫星应用场景

由于Q/V频段通信卫星具备通信容量大、覆盖范围广、运行成本低等独特的技术优势特点，其应用场景也在不断地深化和拓展。

关口站链路通信。目前正在运行的高通量卫星和已规划的非静止轨道卫星，主要采用Q/V波段作为馈线链路和Ka波段作为用户链路，改变了采用Ka频段作为关口站链路的传统通信方式，释放出的Ka频段用于用户终端通信[3]，有效提高了传输速率。

星间链路通信。目前绝大多数的非静止轨道卫星星座都以星间链路为主，除采用激光通信之外，V频段星间链路通信卫星早在Milstar星座系统中得以应用，选择Q/V频段作为星间链路通信具备很强的技术优势和吸引力[3]。

地面移动网络回程。Q/V频段作为ETH频段探索使用最前沿，如突破了卫星通信和地面5G移动通信融合的技术壁垒，将有效发挥其高通量数传特性，可实现NGSO卫星的大容量地面网络数据回传[1]。

超高速率宽带互联网接入。可通过Q/V频段卫星直接接入超高速卫星宽带互联网，提供20 Mbps以上的业务传输速率和应用于基站数据回传业务、8K超高清新闻采集、8K超高清视频点播等业务[1]。

3 Q/V频段通信卫星的发展现状与趋势

3.1 国外Q/V频段通信卫星发展现状

Q/V频段通信链路受天气因素影响较大，且预算庞大，最初仅应用于军用卫星通信领域。最具代表性是始于20世纪80年代的美军“军事星”（Milstar）系统，是全球首个应用EHF、快跳频等新技术的卫星系统。该系列卫星装有2副1.8米V频段星间链路天线，其主力频段是星地通信40 GHz频段和星间通信60 GHz频段，数据传输速率为10 Mbps。在Milstar系统引领下，美军之后也研制了“先进极高频”（AEHF）GEO卫星星座系统，其星间链路通信频率仍为60 GHz，系统也配备了用于高速数据传输服务的Q频段通信载荷[3]。

图2 “先进极高频”（AEHF）卫星示意图

随着电路集成工艺的不断发展，Q/V频段通信卫星从成熟的军事领域转入商用卫星市场。20世纪90年代末，美国提出了用于商业宽带服务的Q/V频段的卫星系统研制计划。欧洲卫星工业界也相继开展了多项Q/V频段载荷的研究工作，2013年意大利航天局（ASI）发射了Alphasat卫星，卫星搭载了欧洲首个Q/V频段通信载荷TDP5（Technology Demonstration Payload5），其载荷包含3个点波束、2个可切换的转发器通道，可以在波束间动态切换无线电波信号，实现与地面多个信关站间的智能分集[3]。同时ASI还启动了Q/V频段高通量系统地面部分连接试验（Q/V-LIFT）项目，该试验主要用于评估Q/V频段星地通信可行性，摸清恶劣天气对系统性能的影响，为未来打造GEO卫星的宽带通信模式提供数据依据[2]。

2016年3 月，欧洲通信卫星公司（Eutelsat）和劳拉空间系统公司（SSL）合作开展通信测试，测试证明了Q/V频段（40~50 GHz）具有推动未来太比特卫星宽带计划执行的潜力，Eutelsat公司因此成为首家成功完成Q/V波段通信测试的商业运营商[4]。

2019年6 月，FCC批准休斯公司（Hughes）建造、运行下一代甚高通量卫星，命名为休斯-95W（HNS-95W），容量高达500 Gbps，是全球首颗提供Q/V频段通信服务的商业卫星[4]。

3.2 国内Q/V频段通信卫星发展现状

欧美国家在Q/V频段卫星通信技术日渐成熟，相比而言，我国相关技术研究还处于初级阶段，但我国政府高度关注该技术的发展，“十四五”国家重点研发计划“多模态网络与通信”重点专项中提出，将研究Q/V频段宽带星载相控阵多波束天线技术，以推动我国Q/V频段通信产业发展的需求，卫星通信企业也不断加大Q/V频段通信产业的研发力度。

图3 银河航天02批卫星在轨模拟图（来自银河航天）

银河航天（北京）科技有限公司作为我国Q/V频段卫星研制的技术先锋，于2020年1月完成了Q/V频段通信卫星的在轨通信试验，并成功实现了Ka/V/Q频段星地链路通信[5]。2020年3月，航天科技集团五院开展了Q/V甚高通量载荷在轨测试，首次成功实现了基于Q/V频段馈电技术的同步轨道高通量宽带卫星星地通信系统试验[6]。2022年，银河航天公司发射了我国首次批量研制的低轨宽带通信卫星，成功实现了V频段低轨卫星测控[7]。

3.3 Q/V频段通信卫星发展趋势

从国内外各大运营商、研究机构开展的测试结果来看，Q/V频段通信载荷具备超宽带、大容量、低成本等突出优势，是新一代高通量宽带卫星的最佳选频[8]。与此同时，由于Q/V频段频率高，受到雨衰的影响较大，路径损耗非常大，天线需在超高带宽下提供高增益和高效率，研究高稳定性、抗雨衰的通信链路和关键射频器件，都将成为Q/V频段的主要技术发展方向[9]。

4 结束语

本文介绍了Q/V频段卫星通信系统、国内外发展现状和主要应用场景，相对于低频频段，Q/V频段频谱资源丰富，正处于开发阶段，天线波束方向性强，在军事及商业领域备受重视，也是高通量宽带卫星通信的未来发展方向。然而，Q/V频段卫星通信受雨衰影响较大和毫米波器件制作工艺复杂等原因，制约了该技术的发展。近年来，随着天线设计和射频器件制造等工程化应用不断开发，欧美国家的Q/V频段载荷技术日趋成熟，越来越接近实用推广阶段。我国的相关技术研究尚处于起步阶段，也应继续加强Q/V频段基础专题研究，为后续国内研制超大容量通信卫星打下坚实基础。■