一种移动通信卫星多波束载荷前端架构制造技术

一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，包括前向波束形成网络BFN、三个转接网络、多端口放大器阵列、双工器阵列、馈源阵列以及反射器；前向波束形成网络对进入波束的信号进行功率分配、幅度和相位加权，多端口放大器对信号放大，双工器实现馈源的收发共用，馈源阵输出信号照射反射面实现射频信号的辐射，转接网络一连接BFN输出端口与MPA的输入端口，转接矩阵二连接MPA的输出端口与双工器阵列中的双工器，转接网络三连接双工器阵列中的双工器与馈源。本发明专利技术可实现低馈线损耗和重量的、具有业务集中能力的移动通信卫星多波束载荷。

A multi beam load front end architecture for mobile communication satellite

A mobile communication satellite multi beam load front-end architectures, including forward beam forming network BFN, three switching network, multi port amplifier array, duplexer and reflector array, the array feed forward; beamforming network for power distribution, the signal enters the beam amplitude and phase weighting, multi port amplifier for signal amplification. Duplexer realization of the common feed ofmicrowave RF signal transceiver, feed array output signal radiation reflector, input port switching network connection BFN output port and MPA, transfer matrix two is connected with the output port and the duplexer duplexer in the array MPA, switching network connecting three duplexer duplexer in the array and feed. The invention can realize multi beam load of mobile communication satellite with low feeder loss and weight, and has service concentrating capability.

【技术实现步骤摘要】
一种移动通信卫星多波束载荷前端架构
本专利技术涉及一种移动通信卫星多波束载荷前端，适用于静止轨道移动通信卫星有效载荷。
技术介绍
近年来，国内开始了静止轨道移动通信卫星的研制。移动通信卫星的服务区一般由多个波束组成，移动通信卫星的业务在服务区内不同波束之间随着时间不断变化，即大量业务可能同时集中于某一个或者几个波束内；由于卫星平台上空间和能源的限制，对载荷及其前端的体积、重量和功耗有严格的要求，力求节约增效。公开的资料显示，国外的移动通信卫星通常用MPA实现移动通信卫星的业务集中功能，但是未见详细的报道。国内相关单位研究了MPA在移动通信卫星多波束载荷前端中的使用，解决了馈源复用情况下MPA中固态功率放大器输出功率差异较大，卫星资源浪费较大的问题。但是在实际使用时还存在以下问题：收发共用系统中，MPA和馈源阵之间有双工器，若对每个馈源随机选择双工器然后连接至MPA的输出端口，由于星上空间限制，射频电缆尺寸较长，导致体积、重量、损耗和输出功率以及返向的G/T值等各项性能指标都会恶化。由于移动通信卫星载荷通常使用大型可展开天线和阵列转发器，因此对载荷的体积、重量、损耗和输出功率以及返向的G/T值等指标均要求十分严苛，现有的已经公开报道的技术无法满足要求。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，通过引入三个转接网络，实现了一种移动通信卫星多波束载荷前端，可以实现移动通信卫星业务集中于一个或者多个波束，同时体积、重量、损耗和输出功率以及返向的G/T值均优于现有技术方案。本专利技术的技术解决方案是：一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，包括：前向波束形成网络BFN、第一转接网络、多端口放大器阵列、第二转接网络、双工器阵列、第三转接网络、馈源阵列以及反射器；前向波束形成网络BFN对外部输入的信号按照预设的激励系数进行功率分配、幅度加权和相位加权，并将处理后的信号通过第一转接网络转接之后，送入多端口放大器阵列中，对信号进行放大，放大后的信号通过第二转接网络转接之后，送入双工器阵列中，实现馈源的收发共用，双工器阵列与馈源阵列之间通过第三转接网络转接，馈源阵列照射反射器实现射频信号的辐射。所述多端口放大器阵列包括多个相同的多端口放大器MPA，每个多端口放大器MPA均包括输入Butler矩阵、固态功率放大器阵列和输出Butler矩阵，其中固态功率放大器阵列中的各个固态功率放大器幅度、相位均相同。BFN输出的信号经过第一转接网络转接，具体为：Beam′i＝T1Beami，其中，Beami，i＝1、2、……109，是各个波束的馈源激励系数，即第i个波束经过BFN输出的信号：是第i个波束的第m个馈源激励系数的信号，Ai,m是其幅度，是其相位；T1为第一转接网络的传输矩阵，是一个64*64的初等行变换矩阵，每一行和列均只有1个元素为1，其余元素均为0；Beam′i是第i个波束经过BFN输出的信号经过第一转接网络转接之后的信号。第i个波束单独激励时，多端口放大器阵列中的固态功率放大器的电平Vi为：64个固态功率放大器的功率为：总功率为：109个波束等业务状态下同时工作时，64个固态功率放大器的总功率为：其中：Vini,m是进入第m个固态功率放大器的信号；其中：Λe-jθ是固态功率放大器的传输系数，Λ是固态功率放大器的传输系数的幅度、θ是固态功率放大器的传输系数的相位；O为8×8的全零矩阵；多端口放大器阵列放大后的第i个波束信号为：Beam″i＝MBeam′i；其中：O为8×8的全零矩阵；多端口放大器阵列放大后的信号Beam″i通过第二转接网络转接，具体为：Beam″′i＝T2Beam″i其中：O为8×8的全零矩阵连接双工器阵列与馈源阵列的电缆长度矩阵L为：其中，Lk,k，k＝1:64，为馈源k与双工器连接电缆的长度；T3为第三转接网络的传输矩阵，是一个64*64的初等行变换矩阵，每一行和列均只有1个元素为1，其余元素均为0；L0为当卫星通信舱中双工器和馈源阵布局确定之后，馈源m到双工器n的距离lm,n组成的矩阵，通过测量得到：T1、T2和T3的求解数学模型为：基于上述求解模型，令T1和T3的初值为单位矩阵，通过遗传算法即可对T1、T2和T3进行求解。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术提出的一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，通过引入第一转接网络、第二转接网络、第三转接网络，结合多端口放大器阵列，可使移动通信卫星尽可能多的业务集中于一个波束；(2)本专利技术提出的一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，通过引入第三转接网络，可以使双工器与馈源阵的连接射频电缆最短；(3)本专利技术提出的一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，通过引入第三转接网络，可以使该段电缆的损耗最小，从而使输出功率和返向的G/T值优于现有方案；(4)本专利技术提出的一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，通过引入第三转接网络，可以使该段电缆的损耗最小，从而使载荷的体积、重量减小。附图说明图1为本专利技术系统架构框图；图2为本专利技术的转接网络示意图；图3为本专利技术的MPA框图；图4为本专利技术实现的业务集中能力的设计值；图5为本专利技术实现的业务集中能力的测试值；具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的详细描述。本专利技术提出的一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，通过引入第一转接网络、第二转接网络、第三转接网络，可以使每个波束使用到尽可能多的多端口放大器和其中的固态功率放大器，可使移动通信卫星每个波束都尽可能多使用到固态功率放大器提供的功率，使每个波束中可以提供尽可能多的用户信道；同时，在优化设计中兼顾了双工器和馈源的连接电缆的长度，减小了电缆重量、降低了插损，提高了输出功率和返向的G/T值。如图1所示，本专利技术提出了一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，包括：前向波束形成网络BFN2、第一转接网络3、多端口放大器阵列9、第二转接网络4、双工器阵列8、第三转接网络5、馈源阵列6以及反射器7；前向波束形成网络BFN2对外部输入的信号按照预设的激励系数进行功率分配、幅度加权和相位加权，并将处理后的信号通过第一转接网络3转接之后，送入多端口放大器阵列9中，对信号进行放大，放大后的信号通过第二转接网络4转接之后，送入双工器阵列8中，实现馈源的收发共用，双工器阵列8与馈源阵列6之间通过第三转接网络5转接，馈源阵列6照射反射器7实现射频信号的辐射。如图1所示，多端口放大器阵列9包括8个相同的8端口放大器MPA。如图3所示，每个8端口放大器MPA均包括输入Butler矩阵、8个幅度、相位均相同的固态功率放大器和输出Butler矩阵。如图2所示，BFN输出的信号经过第一转接网络3转接，具体为：Beam′i＝T1Beami其中，Beami，i＝1、2、……109，是各个波束的馈源激励系数，即第i个波束经过BFN输出的信号：是第i个波束的第m个馈源激励系数的信号，Ai,m是其幅度，是其相位；T1为第一转接网络3的传输矩阵，是一个64*64的初等行变换矩阵，每一行和列均只有1个元素为1，其余元素均为0；Beam′i是第i个波束经过BFN输出的信号经过第一转接网络3转接之后的信号，如图2所示，这相当于对Beami中的元素进行行位置重排；第i个波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，其特征在于包括：前向波束形成网络BFN(2)、第一转接网络(3)、多端口放大器阵列(9)、第二转接网络(4)、双工器阵列(8)、第三转接网络(5)、馈源阵列(6)以及反射器(7)；前向波束形成网络BFN(2)对外部输入的信号按照预设的激励系数进行功率分配、幅度加权和相位加权，并将处理后的信号通过第一转接网络(3)转接之后，送入多端口放大器阵列(9)中，对信号进行放大，放大后的信号通过第二转接网络(4)转接之后，送入双工器阵列(8)中，实现馈源的收发共用，双工器阵列(8)与馈源阵列(6)之间通过第三转接网络(5)转接，馈源阵列(6)照射反射器(7)实现射频信号的辐射。

【技术特征摘要】
1.一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，其特征在于包括：前向波束形成网络BFN(2)、第一转接网络(3)、多端口放大器阵列(9)、第二转接网络(4)、双工器阵列(8)、第三转接网络(5)、馈源阵列(6)以及反射器(7)；前向波束形成网络BFN(2)对外部输入的信号按照预设的激励系数进行功率分配、幅度加权和相位加权，并将处理后的信号通过第一转接网络(3)转接之后，送入多端口放大器阵列(9)中，对信号进行放大，放大后的信号通过第二转接网络(4)转接之后，送入双工器阵列(8)中，实现馈源的收发共用，双工器阵列(8)与馈源阵列(6)之间通过第三转接网络(5)转接，馈源阵列(6)照射反射器(7)实现射频信号的辐射。2.根据权利要求1所述的一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，其特征在于：所述多端口放大器阵列(9)包括多个相同的多端口放大器MPA，每个多端口放大器MPA均包括输入Butler矩阵、固态功率放大器阵列和输出Butler矩阵，其中固态功率放大器阵列中的各个固态功率放大器幅度、相位均相同。3.根据权利要求2所述的一种移动通信卫星多波束载荷前端架构，其特征在于：BFN输出的信号经过第一转接网络(3)转接，具体为：Beam′i＝T1Beami，其中，Beami，i＝1、2、……109，是各个波束的馈源激励系数，即第i个波束经过BFN输出的信号：是第i个波束的第m个馈源激励系数的信号，Ai,m是其幅度，是其相位；T1为第一转接网络(3)的传输矩阵，是一个64*64的初等行变换矩阵，每一行和列均只有1个元素为1，其余元素均为0；Beam′i是第i个波束经过BFN输出的信号经过第一转接网络(3)转接之后的信号。4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈博，崔兆云，任建，周兰兰，李荣军，黄齐波，王五兔，唐其林，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61