一种移动通信卫星多波束载荷前端架构的制作方法

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：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。

本发明的技术解决方案是：

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＝T₁Beam_i，

其中，Beam_i，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，A_i,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V_i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：Vin_i,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，L_k,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l_m,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。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明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)本发明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)本发明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)本发明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为本发明系统架构框图；

图2为本发明的转接网络示意图；

图3为本发明的MPA框图；

图4为本发明实现的业务集中能力的设计值；

图5为本发明实现的业务集中能力的测试值；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明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，本发明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＝T₁Beam_i

其中，Beam_i，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，A_i,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Beam_i中的元素进行行位置重排；

第i个波束单独激励时，多端口放大器阵列9中的固态功率放大器的电平V_i为：

64个固态功率放大器的功率为：

总功率为：

如果T₁选择得当，该波束将会使用到尽可能多的MPA及其中的固态功率放大器，同时P_i中各个元素的起伏较小，而每个固态功率放大器的最大输出功率是一定的，从而使该波束获得更多的功率；

109个波束均匀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：Vin_i,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；

如图3所示，H₆₄是8个8端口的Butler矩阵的传输矩阵，其中H₈是单个Butler矩阵的传输矩阵：

O为8×8的全零矩阵；

经过多端口放大器阵列9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9放大后的信号Beam″_i通过第二转接网络4转接，具体为：

Beam″′_i＝T₂Beam″_i；

其中：

O为8×8的全零矩阵。

如图2所示，双工器阵列8与馈源阵列6在实际中是分布在空间的，将每个馈源到任意一个双工器的空间距离在模型中中测量，可以得到电缆长度矩阵L为：

其中，L_k,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5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；

当卫星通信舱中双工器和馈源阵布局确定之后，双工器阵列8与馈源阵列6在实际中是分布在空间的，将每个馈源到任意一个双工器的空间距离在模型中中测量，可以得到馈源m到双工器n的距离l_m,n组成的矩阵L₀，通过测量得到L₀为：

T₁、T₂和T₃的求解数学模型为：

这是一个多目标优化问题，目标是寻找T₁和T₃，使得每个波束单独激励时，该波束输出功率W_i(T₁)，i＝1:109中的最小值最大化；同时，使得馈源k与双工器连接电缆的长度L_k,k，k＝1:64中的最大值最小化；

基于上述求解模型，令T₁和T₃的初值为单位矩阵，通过遗传算法对T₁、T₂和T₃进行求解。这里简单介绍遗传算法中关键算子的设计：

种群生成：令T₁和T₃的初值为单位矩阵，随机生成Num组1到64之间的自然数，然后按照对单位矩阵的行或者列按照生成的自然数对交换即可；

一种简单的交叉算子：定义为种群中任意两个个体矩阵相乘；

变异算子：定义为随机选择个体并对该个体中随机的选择两行或者两列交换。

实施案例：

如图2和图4所示，该系统具有收、发各109个波束，通过双工器实现64个馈源的收发共用。

在优化得到各个波束的激励系数和完成卫星通信舱中双工器和馈源阵的布局后，就可以得到Beam_i，i＝1、2、……109和L₀；

通过编程实现上述遗传算法，得到的实际转接网络如图2所示，109个波束可以输出的功率占系统中64个固态功率放大器总功率的比例的设计值如图4所示，测试值如图5所示，其中横轴表示波束编号，纵轴表示每个波束单独工作是输出功率占系统输出功率的比例。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。