通信卫星有效载荷#卫星工程系列

通信卫星上实际承担通信信号中继任务的部分，称为通信卫星的有效载荷。

1、通信卫星有效载荷的组成

通信卫星有效载荷一般可分为天线和转发器两个分系统。天线分系统接收上行信号后，送到转发器分系统对信号进行加工，再由天线分系统将加工后的信号发回地球，完成通信信号的中继转发。在实际系统中，转发器和天线都可以有多个，以期提供所需的通信容量。各转发器与各天线之间可以进行切换，以调整、控制通信传输需求的流向及容量。

1.1、转发器分系统

转发器分系统简称转发器，实质上是一台宽频带的收发信机，它给通信系统引进的附加噪声和失真应该尽量小，并能够提供所需的功率放大能力，以输出所需的信号功率，有效和可靠地实现转发功能。转发器分系统对信号的加工可以有多种形式，大致可分为透明型和处理型两类。前者只是将天线收到的上行信号进行移频和放大，有时也进行一些简单的频段间转换便送到天线下发，它对地面系统而言是“透明的”；后者要对被转发信号进行处理。随着卫星通信的进一步发展，特别是移动通信的发展，出现了更灵活转接的中频处理转发和空中直接交换基带处理转发。为了适应军事通信的保密需要，也可在星上加上保密措施，星上处理。

透明型转发器一般由前置放大器、本振、混频器、滤波器、低功率放大器、输入多工器、输出多工器、高功率放大器等组成。前置放大器负责对上行信号的低噪声放大。混频器将来自前置放大器的信号和来自本振的信号相乘实现频率搬移即变频。转发器有“一次变频式”和“二次变频式”。对于前者，一次变频到下行频率；对于后者，先变频到某个中频频率，经中频放大后，再通过另一混频器将其变频到下行频率。在“一次变频”易获得较宽带宽和较好线性，多用在大容量通信系统中，“二次变频”一般用于早期的小容量通信系统中。放大器对信号进行放大以实现所需要的转发器增益。由于一台功率放大器的输出功率有限，几乎总是让每个功率放大器负责放大一个较小的频段，而将许多路功率放大器联合起来负责整个频段的放大，即是将接收放大后的整个频段的信号用输入多工器分成若干较小的频段，每个小段用一个放大器放大，然后再把各个放大器的输出用输出多工器合起来。习惯上把分成的每个小频段的转发器部分叫做一路转发器。

处理型转发器除了具有透明型转发器的组成部分外，主要增加了解调器、调制器和信号处理单元部分。解调器将接收的已调微波信号或中频信号解调为基带信号，调制器将处理后的基带信号调制在中频或微波载波上。信号处理单元对基带信号的处理大致可分为3种类型：1)对数字基带信号进行“再生”处理，其目的是为了避免噪声失真的积累；2)进行信号交换处理，将不同波束或同波束不同通道的上行信号交换接续到相应的下行通道；3)其他复杂信号的变换和处理，包括加密处理和不同多址方式间的变换等。

1.2、天线分系统

天线分系统指用于卫星通信信号收发的通信天线。测控系统一般都有专门的测控天线用于卫星测控信号的收发，有些通信卫星在定点和正常后也使用通信天线完成测控信号的收发。

天线的基本性能主要包括辐射方向图、增益、极化、驻波比、功率容量等。天线的辐射方向图表示天线辐射电磁波辐射强度的空间分布。方向图基本上可分为全向性和定向性两种，全向性要求在整个空间或在某个面内有均匀的辐射分布，定向性要求将辐射集中在某些方向。定向性一般可用方向图的半功率波束宽度，也称主瓣宽度来表示，瓣宽越窄表明方向性越强。天线增益表示天线在某一方向上辐射的功率密度相对于一个全向天线辐射功率密度的倍数，一般用分贝作为单位。极化是指天线电磁波的电场矢量的方向，一般情况下的极化是椭圆极化，它的特例是线极化和圆极化。线极化又分水平和垂直，圆极化又分左旋和右旋。对于一个通信系统，它的发射天线和接收天线的极化应相同，否则便带来极化损失。驻波比表示天线上馈线上的驻波的大小。驻波是由于馈线与天线接口的不匹配造成的，不匹配将带来功率传输的损失。不同系统对驻波比的要求不同，驻波比为2时，功率损失约为0.5dB，驻波比为1.5时，功率损失约为0.2dB。对于大功率发射的天线，由于可能产生的微放电和二次电子倍增效应等，必须对天线能够承受的功率作出规定，就是功率容量的要求。

通信天线大致可分为“全球波束天线”、“区域波束天线”、“点波束天线”几类。

早期的通信卫星，如国际通信卫星Ⅷ号、中国的东方红二号，都是采用全球波束天线。全球波束天线多采用圆锥喇叭，其波束宽度为17.4°，它在一个波束覆盖内可实现全球约1/3地区范围内的通信。由于它的波束宽，天线增益只能做到约17~20dB，而它的覆盖范围内的大部分地区并不一定需要卫星通信，因此造成能量的浪费，后来发展了区域波束通信天线。许多国际通信卫星仍具有全球波束功能。

区域波束天线，又称赋形波束天线，它的能量辐射能够按照服务区的形状和区内各地通信需要进行“剪裁”，如中国的东方红二号甲、东方红三号通信卫星便是采用区域波束天线的，其覆盖范围是中国国土及周边地区，波束边缘平均增益约为27dB。

赋形波束天线大致有两类：多馈源赋形和单馈源反射面赋形。多馈源赋形是用多个馈源对同一反射抛物面形成的多个次级方向图进行叠加，靠波束形成网络对各馈源馈电的相位幅度进行控制，实现赋形。它需要较大的空间和质量来容纳馈源阵和波束形成网络，但如果在网络中加人可调整幅度相位的元件，就可实现地面对波束形状的遥控，成为遥控可变赋形波束天线。单馈源反射面赋形靠改变反射面形状实现赋形，虽然简单可靠、馈电部分体积小质量轻，但是一般制成后就不能改变。也有采用阵列天线实现对地球匹配的赋形波束，如Inmarsat - 2的L波段天线。

点波束天线的波束宽度很窄，一般小于1°，覆盖区小，但天线增益可大大提高，比如超过50dB，因此地面天线增益和发射功率可大大减少。一颗通信卫星可采用多个点波束，这在军事通信中是很重要的，点波束的指向也是可以控制的。点波束可采用反射面天线也可采用相控阵天线实现。

对于军事卫星通信，近年来自适应天线受到普遍重视。自适应天线具有自动适应环境，优化天线方向图，并能有效跟踪有用信号，抑制和消除干扰和噪声而保持系统性能在某种准则下最佳的能力。自适应天线实际上是一种自动调节天线方向图的空间滤波器，它是由多个单元天线按一定规律组成的天线阵和对信息进行实时自适应处理的处理器组成。自适应天线研究中，单元天线相对而言并不复杂，自适应算法和处理器的研究是技术关键。

天线性能的提高带来了天线结构的复杂化和大型化。考虑到运载火箭整流罩的允许空间和发射时的力学载荷，大型天线在发射时需要收拢，在入轨、定点过程中再展开到工作状态。为此采取多种形式的反射面，如带活动支架的刚体反射面、分块的刚体反射面、半刚性反射面、柔性网状可收拢伞型反射面、可活动桁架结构支撑的网状反射面等等，将它们用不同的方法实现收拢和展开。最简单也是用得最多的是带活动支架的刚体反射面，它能像蚌壳盖一样在发射时“盖”在卫星体上，入轨后“打开”，由于受到运载火箭整流罩的限制，一般只能作到2~3m直径。网状可收拢伞型反射面天线可以达到更大的折展比，但型面精度需要专门的措施加以保证，已发射的有直径为十多米的。