王 琦
近年來,衛(wèi)星通信應(yīng)用Ka波段的情況越來越多,表現(xiàn)出了通信衛(wèi)星新的發(fā)展趨勢。著名的國際太空咨詢機構(gòu)Euroconsult在其最近的《衛(wèi)星通信與廣播市場觀察》(第16版)中指出,“2018年,Ka波段需求將占衛(wèi)星容量總需求的14%,主要采用Ku和C波段的軍事衛(wèi)星通信也將被推向Ka波段�!痹谕ㄐ判l(wèi)星中采用Ka波段,可以獲得較寬的工作頻帶,增加通信容量,同時還可以實現(xiàn)較窄的波束,從而獲得高的EIRP值,減小地面終端天線尺寸。而且,相對于已經(jīng)十分擁擠的C、Ku波段,Ka波段的干擾較小,便于衛(wèi)星的軌道位置和頻率關(guān)系的協(xié)調(diào)。而元器件以及工藝水平的提高,也對Ka波段的發(fā)展起到了一定的加速作用。
1. Ka波段概述
Ka波段是電磁頻譜的微波波段的一部分,Ka波段的頻率范圍為26.5-40GHz。Ka代表著K的正上方(K-above),換句話說,該波段直接高于K波段。Ka波段也被稱作30/20 GHz波段,通常用于衛(wèi)星通信。Ka波段最重要的一個特點就是頻帶較寬,C頻段的一般可用帶寬為500MHz~800MHz;Ku頻段的可用帶寬為500MHz~1000MHz;而Ka頻段的可用帶寬可達到3500MHz。因此,Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級寬帶數(shù)字傳輸、高清晰度電視(HDTV)、衛(wèi)星新聞采集(SNG)、VSAT業(yè)務(wù)、直接到戶(DTH)業(yè)務(wù)及個人衛(wèi)星通信等新業(yè)務(wù)提供一種嶄新的手段。Ka波段的缺點是雨衰較大,對器件和工藝的要求較高。在Ka波段頻率下,用戶終端的天線尺寸主要不是受制于天線增益,而是受制于抑制其它系統(tǒng)干擾的能力。
1.1 早期試驗研究情況
1974年,美國NASA就曾在Fairchild(仙童公司)研制的ATS-6(應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星-6)上進行過20、30GHz連續(xù)波和多個單音的傳播試驗,開辟了Ka波段衛(wèi)星傳播和通信試驗的先河。1976年,美國用一枚火箭同時發(fā)射了LES 8、9(林肯試驗衛(wèi)星8、9),它不僅與地球站進行了Ka波段的傳播試驗,而且還建立了衛(wèi)星間Ka波段試驗鏈路。
日本在開發(fā)衛(wèi)星通信的初期,就將目標定在了Ka波段。1977年4月,日本發(fā)射了與美國合作研制的ETS-II(工程試驗衛(wèi)星II),并于1977年12月發(fā)射了自己的實驗通信衛(wèi)星CS-1(通信衛(wèi)星-1),該衛(wèi)星載荷有6臺Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器。接著,日本于1983年2月和8月分別發(fā)射了CS-2(2A、2B)商用衛(wèi)星。其中2A位于同步軌道130°E,屬于工作星,2B作為備份星位于135°E。CS-2不但是日本的第一顆商用通信衛(wèi)星,也是世界上第一顆搭載Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器的實用通信衛(wèi)星,載有6臺Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器,2臺C波段轉(zhuǎn)發(fā)器,采用二次變頻體制,中頻頻率1.8GHz。后來,日本于1988年發(fā)射了CS-3A、3B兩顆衛(wèi)星, Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器增加到l5臺,采用單波束天線。其Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器的主要特點是:采用了與CS-2不同的一次變頻體制,直接進行上下行頻率轉(zhuǎn)換。
歐空局于l990年7月發(fā)射了Ka波段的奧林巴斯(OLYMPUS)通信衛(wèi)星。意大利也較早地開發(fā)利用Ka波段衛(wèi)星ITALSAT(意大利衛(wèi)星),該星為意大利第一顆國內(nèi)通信衛(wèi)星,于1991年發(fā)射,載有三類有效載荷,其中兩類用于Ka波段點對點通信,包括多波束系統(tǒng)和全球波束系統(tǒng),多波束系統(tǒng)有6臺Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器,具有0.9Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。
1.2 Ka波段衛(wèi)星的起伏發(fā)展階段
20世紀末,隨著全球信息高速公路的發(fā)展,眾多的Ka波段計劃紛紛出臺。l997年美國聯(lián)幫通信委員會(FCC)對13家公司發(fā)放了Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)許可證。例如,洛克希德•馬丁公司的Astrolink系統(tǒng),計劃用5顆地球靜止軌道衛(wèi)星提供高數(shù)據(jù)速率通信業(yè)務(wù),具有星間鏈路;Teledesic系統(tǒng)則計劃在1375公里的l2個圓軌道面上布署288顆衛(wèi)星;另外就是勞拉公司的Cyberstar系統(tǒng),由3顆衛(wèi)星組成;HCI的Galaxy/Spaceway,由20顆星組成;GE美國公司的GE Star系統(tǒng),由9顆衛(wèi)星組成;晨星公司的Morning Star系統(tǒng),由4顆衛(wèi)星組成;而著名的移動衛(wèi)星“銥 系統(tǒng)的星間鏈路也采用了Ka波段技術(shù)。此外,歐空局、日本、德國、加拿大、韓國等也都推出了自己的Ka波段計劃,如法國的Skybrige;韓國為2000年奧林匹克運動會和2002年世界杯電視轉(zhuǎn)播而計劃發(fā)射的Koreasat-3(韓星-3)等。
與此同時,數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星也開始大量應(yīng)用Ka波段。因為太空中不存在雨衰,因此Ka波段是太空傳輸?shù)淖罴堰x擇之一。美國計劃從2000年開始使用的第二代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。增加Ka波段星間鏈路和饋電鏈路,其最大反向數(shù)據(jù)率可達650Mbit/s。歐空局的計劃分為兩個部分,一個是“高級中繼和技術(shù)試驗衛(wèi)星(ARTEMIS)”,另一個是數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星(DRS),在星間鏈路和饋電鏈路上都使用了Ka波段傳輸技術(shù)。日本發(fā)射了兩顆名為數(shù)據(jù)中繼測試衛(wèi)星(DRTS),其中在星間鏈路和饋電鏈路中使用了Ka波段轉(zhuǎn)發(fā)器技術(shù),最大反向數(shù)據(jù)率可達300Mbit/s。
然而,因為本世紀初光纜對衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)所產(chǎn)生的巨大沖擊,使得Ka波段衛(wèi)星的發(fā)展遇到前所未有的挫折。許多Ka波段項目被無限期地延長。
2. Ka波段試驗衛(wèi)星
技術(shù)試驗衛(wèi)星是用于衛(wèi)星工程技術(shù)和空間應(yīng)用技術(shù)的原理性或工程性試驗的人造地球衛(wèi)星,對衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展具有很大的推動作用。人們曾較為全面地開展了針對Ka波段衛(wèi)星的試驗,著名的有美國的ACTS(先進通信技術(shù)衛(wèi)星)和日本的WINDS衛(wèi)星(寬帶互聯(lián)網(wǎng)工程試驗和演示衛(wèi)星)。
2.1 ACTS衛(wèi)星
ACTS是由Martin Astro. Space公司為美國宇航局(NASA)Lewis研究中心研制的,于1993年發(fā)射升空。ACTS采用了一系列新的技術(shù),通過試驗論證成功后,將作為未來通信衛(wèi)星的標準。這些新技術(shù)包括:跳變點波束、星上交換、雨衰補償?shù)取?/p>
2.1.1 跳變點波束
一般的衛(wèi)星大都是利用寬波束覆蓋,提供相對低的信號EIRP,因需要較大的地面接收天線和較大的上行鏈路天線,提高了系統(tǒng)的成本。而點波束卻能將射頻能量集中到具有很小覆蓋區(qū)域的窄波束中去,使衛(wèi)星獲得很高的G/T和EIRP。ACTS采用的點波束有20dB的信號電平的改善,帶來的好處是系統(tǒng)中的地球站可用小尺寸天線獲得較高的流量。然而,點波束也存在不足,主要是固定指向點波束在照射較大通信覆蓋區(qū)域時,其數(shù)量必須大幅增加,再就是靈活性不夠,經(jīng)營成本增加。跳變點波束則能很好地解決后一個問題。在ACTS衛(wèi)星中,波束指向位置是基于人口密度、地區(qū)分集數(shù)據(jù)源的可用度與寬帶信道配合而選擇的。除利用開關(guān)矩陣的固定波束外,還有利用基帶處理器(BBP)的兩簇跳變點波束。不論是哪一種波束,工作時都能用某種開關(guān)進行控制,按用戶的申請運作,對服務(wù)需要作出響應(yīng)。另外,兩簇跳變點波束以均勻增益覆蓋夏威夷、阿拉斯加和整個半球。固定和跳變指向的波束都有0.3°的波束寬度;而可控反射面天線口徑較小,其波束寬度為1°。
2.1.2 星上交換
ACTS有兩種衛(wèi)星星上交換方式:一種是通過開關(guān)矩陣,另一種是通過具有存儲的基帶處理器。在開關(guān)矩陣(MSM)方式中,用它來連接三個固定波束或兩簇跳變波束,開關(guān)矩陣具有900MHz的帶寬,可提供彎管或動態(tài)交換。當(dāng)用于動態(tài)交換時,幀長為1ms;對于低數(shù)據(jù)率終端要求較長靜止時間的應(yīng)用,則幀長為32ms。在基帶處理器(BBP)方式中,用來控制兩簇跳變指向的波束之間的TDMA業(yè)務(wù)。每一跳變波束簇的最大吞吐量為110Mbit/s,每幀1728時隙�;鶐幚砥鞯囊粋€特有的優(yōu)點是,只有需要訪問的那些波束才被激活,即提供按需分配多址(DAMA)信道,從而使衛(wèi)星資源得到最大利用。
2.1.3 雨衰補償
雨衰是影響Ka波段衛(wèi)星通信可用度的主要因素。為了保證可靠的通信,必須設(shè)法補償因雨衰引起的信號電平的損失。在ACTS系統(tǒng)中,采用了兩種技術(shù),一是增加衛(wèi)星和地球站發(fā)射機功率;另一是降低卷積編碼的碼速率。增加發(fā)射機功率的方法,是與使用開關(guān)矩陣模式工作相結(jié)合的。ACTS星上留有8dB的下行鏈路功率余量;而地站的上行發(fā)射功率余量則高達18dB,可根據(jù)需要調(diào)整其發(fā)射功率電平。對于基帶處理的工作模式,下行鏈路遇到降雨衰落時,是用晴天下的3dB余量來補償?shù)摹4送�,還有3dB來自利用卷積編碼的編碼增益;6dB來自對數(shù)據(jù)的降低。對于上行鏈路,晴天時的鏈路余量為5dB。因上,根據(jù)編碼及降低數(shù)據(jù)速率,總的備余量為15dB。