【文章內(nèi)容簡介】 饋天線的形式 ， 反射面為旋轉(zhuǎn)拋物面的一部分 ， 為了保證足夠小的半功率角 ， 反射面的口徑是比較大的 。點波束的橫截面有圓形和橢圓形之分 ， 兩者在地面上的覆蓋區(qū)域形狀有所不同 。 廣播衛(wèi)星 天線子系統(tǒng) (3) 賦形波束天線是近年來普遍使用的衛(wèi)星廣播天線的形式 ，采用賦形波束天線可以將輻射能量集中在衛(wèi)星廣播的服務區(qū)域之內(nèi) ， 減少對其它區(qū)域的干擾 ， 具有比較好的電磁兼容特性 。 同時采用賦形波束天線 ， 還可以減小衛(wèi)星之間的間隔 ， 從而在同步軌道之上可以放置更多的廣播衛(wèi)星和通信衛(wèi)星 。 賦形波束天線通常是由幾個饋源和一個反射面組成 ， 每個 饋源發(fā)出的電磁波經(jīng)反射面反射之后基本上相當于一個點波束天線 ， 而不同饋源的輻射方向有所不同 ， 同時每個饋源的輻射功率及饋電相位也不一定相等 ， 因此賦形波束天線可以看作是一個天線陣 。 根據(jù)天線綜合的方法 ，可以將天線的覆蓋區(qū)域設(shè)計成為所需的形狀 。 通常 ， 賦形波束天線的反射面的曲率半徑都比較大 ， 也就是說反射面比較平 ， 這樣有利于在不同的位置放置饋源 。 廣播衛(wèi)星 天線子系統(tǒng) (4) ? ? 廣播衛(wèi)星的實質(zhì)是位于空間上的一個微波轉(zhuǎn)發(fā)器 ， 接收機和發(fā)射機共同使用一副天線 ， 為了保證收發(fā)共用 ， 衛(wèi)星天線要連接到雙工器上 。 雙工器是一種微波波導器件 ，它的主體是金屬波導 ， 具備濾波 、 阻抗匹配 、 分波 、 功率合成等功能 。 雙工器首先要保證收發(fā)之間互不干擾 ，還要保證阻抗匹配 ， 同時其接入損耗要比較小 。 ? 以 C波段的廣播衛(wèi)星為例 ， 衛(wèi)星地球站發(fā)射的信號頻率為 6GHz， 帶寬一般為 500MHz， 衛(wèi)星天線將此信號接收下來 ， 經(jīng)過雙工器 ， 通過高通濾波把信號送至差轉(zhuǎn)機的低噪聲放大器內(nèi)；經(jīng)過變頻 、 功率放大等環(huán)節(jié) ， 形成了頻率在 ~ ， 然后通過雙工器 ， 把此信號送到天線上 ， 然后發(fā)射到地面上去 。 廣播子系統(tǒng)簡單地說就是微波差轉(zhuǎn)機 ， 輸入信號頻率為 6／ 14GHz， 輸出的信號頻率為 4／ 12GHz。 早期的廣播衛(wèi)星廣泛地采用 二次變頻型 的 轉(zhuǎn)發(fā)器 ， 它由低噪聲放大器 、 下變頻器 、 中頻放大器 、 上變頻器 、 功率放大器等幾部分組成 ， 由于二次變頻型的轉(zhuǎn)發(fā)器僅僅使用兩個功率放大器 ， 一個放大器對應于一種極化方式 ， 所以每個功率放大器要同時放大12個載波 ， 因此容易產(chǎn)生交調(diào)干擾 。 雖然二次變頻型轉(zhuǎn)發(fā)器具有增益高 ， 容易實施自動增益控制等優(yōu)點 ， 但是由于它的非線性失真比較大 ， 因此現(xiàn)代的廣播衛(wèi)星不采用此種形式 。 廣播衛(wèi)星 廣播子系統(tǒng) (1) 廣播衛(wèi)星 廣播子系統(tǒng) (2) ? 在當代的大容量 、 大功率的廣播衛(wèi)星中普遍使用 一次變頻型 的轉(zhuǎn)發(fā)器 。 一次變頻型又稱為 單變頻型(RF／ RF)。 ? 一次變頻型轉(zhuǎn)發(fā)器由低噪聲放大器 、 混頻器 、 本機振蕩 、 激勵放大器 、 分波器 、 行波管放大器 、 多工器組成 。 ? 需要說明的是 ， 廣播衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器是沒有模擬和數(shù)字之分的 ， 因為數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)字調(diào)制之后 ， 就變成了模擬信號 ， 所以廣播衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器處理的都是模擬信號 。 廣播衛(wèi)星 廣播子系統(tǒng) (3) ? (LNA) ? 低噪聲放大器的特點是低噪聲和高增益 。 整個衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的載噪比是由低噪聲放大器決定的 。 為了盡可能地減少噪聲 ， 低噪聲放大器通常采用隧道二極管 、 砷化鎵場效應管 、 高電子遷移率晶體管作為放大器件 ， 合理地選定其工作點 ， 使得噪聲小 ， 并且工作穩(wěn)定 。 由于從地面到衛(wèi)星的距離在 40000km左右 ， 因此傳送到衛(wèi)星處的信號是很微弱的 ， 所以低噪聲放大器還必須要有足夠的增益 ， 才能保證轉(zhuǎn)發(fā)器的正常工作 。 通常低噪聲放大器是由多級放大電路組成的 。 廣播衛(wèi)星 廣播子系統(tǒng) (4) ? ? 本機振蕩和混頻的作用是對上行的信號進行下變頻 。以 C波段衛(wèi)星為例 ， 衛(wèi)星地球站發(fā)射的信號頻率是5925~6425MHz， 而廣播衛(wèi)星的下行信號頻率是3700~4200MHz， 因此標準的本機振蕩頻率是2225MHz， 這屬于低本振類型 ， 因為輸入頻率高于本振頻率 。 為了保證衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的正常工作 ， 本機振蕩的頻率一定要十分穩(wěn)定 ， 同時又要保證相當高的頻率精度 。 混頻器輸入的分別是上行信號和本振信號 ， 由于非線性的影響 ， 在混頻器內(nèi)部產(chǎn)生了上述頻率的和頻與差頻 ， 以及高次諧波 ， 而差頻恰恰是人們所需要的信號 ， 所以在混頻器內(nèi) — 定設(shè)有低通濾波器 ， 將差頻以外的信號全部濾除干凈 。 廣播衛(wèi)星 廣播子系統(tǒng) (5) ? ? 分波器的功能是將各個頻道的信號分別輸出到相應的行波管放大器中去 ， 它主要由頻道濾波器組成 。每個頻道的帶寬是 36MHz， 通過帶通濾波器將各頻道的信號區(qū)分開 。 廣播衛(wèi)星 廣播子系統(tǒng) (6) ? (TWTA) ? 行波管放大器屬于功率放大器 。 當代的廣播衛(wèi)星每個頻道的輸出功率通常在數(shù)十瓦至數(shù)百瓦的范圍之內(nèi) 。 行波管是一種微波電子管 ， 它由電子槍 、 慢波結(jié)構(gòu)和收集極等部分組成 。 慢波系統(tǒng)是一種特殊形式的同軸傳輸線 。 內(nèi)部有螺旋線和梳形結(jié)構(gòu) ， 它用來降低電磁波的相位速度 。 電子槍用來發(fā)射電子束 ，電子束穿過慢波系統(tǒng) ， 然后打在收集極上 。 采用慢波系統(tǒng)之后 ， 電子束的速度與電磁波速度相近 ， 以便電子束與電磁波之間進行能量交換 ， 在慢波系統(tǒng)中傳輸?shù)奈⒉◤碾娮邮蝎@取足夠的能量 ， 從而提高了微波的幅度 ， 最后在輸出端口得到了經(jīng)過放大的射頻功率信號 。 廣播衛(wèi)星 廣播子系統(tǒng) (7) ? ? 多工器的作用是將 12個頻道的大功率信號混合在一起 ， 然后經(jīng)過雙工器輸送至天線 。 顯然 ， 多工器的接入損耗要小 ， 同時各輸入端口之間要有足夠的隔離 ， 以保證各個行波管放大器互不干擾 。 廣播衛(wèi)星 電源子系統(tǒng) (1) 現(xiàn)代大容量的廣播衛(wèi)星使用的電源功率是相當大的 ，典型的數(shù)值在 2kW~7kW之間 ， 耗電最大的器件就是行波管放大器 ， 一個行波管放大器的輸出功率可達 100W左右 ， 若行波管的效率按 40％ 計算 ， 則這樣 24個功率放大器就需要 6000W的電源功率 。 為了衛(wèi)星的正常工作 ， 衛(wèi)星的電源系統(tǒng)必須能夠長時期穩(wěn)定地輸出足夠的電源功率 。 通常 ， 電源子系統(tǒng)是由太陽能電池帆板 、 蓄電池和電源控制部分組成 。電源子系統(tǒng)應該具有體積小 、 重量輕 、 效率高 、 容量大 、 壽命長 、 可靠性高等特點 。 廣播衛(wèi)星 電源子系統(tǒng) (2) ? ? 從廣播衛(wèi)星的外形來看 ， 太陽能電池是十分顯眼的 ，每顆衛(wèi)星均裝備有兩塊巨大的太陽能電池帆板 。 衛(wèi)星的能源主要依靠太陽能 。 我們知道 ， 在宇宙空間中太陽光是最重要的能源 ， 它又是取之不盡 、 用之不竭的 ，地球上使用的絕大部分能源均來自太陽光 。 在近地空間內(nèi) ， 太陽輻射的功率密度可達 1400W／ m2。 太陽能電池是將光能轉(zhuǎn)換成為電能的設(shè)備 ， 如果太陽能電池的換能效率能夠達到 25％ 的話 ， 每平方米的太陽能電池帆板可以提供約 260W的電源功率 。 這樣 ， 一顆現(xiàn)代的通信衛(wèi)星就需要數(shù)十平方米的太陽能電池帆板 。 廣播衛(wèi)星 電源子系統(tǒng) (3) ? 太陽能電池由許多個硅太陽能電池片組成 。 在 N型的單晶硅片上 ， 采用擴散法滲進一層薄薄的硼 ， 這樣就形成了 PN結(jié) ， 再加上兩個電極 ， 就構(gòu)成了一個硅太陽能電池片 。 當太陽光直射到硅太陽能電池片上時 ， 兩極之間就產(chǎn)生了電動勢 ， 于是光能就轉(zhuǎn)換成為了電能 。 ? — 般硅太陽能電池片有 l 2cm 2 2cm 2 4cm4 4cm2幾種規(guī)格 ， 其厚度在 ~ 。 將若干個硅太陽能電池片串聯(lián)起來稱為一組 ， 就可以得到所需的電壓數(shù)值 ， 將若干太陽能電池組并聯(lián)起來 ， 就能提供足夠的電流 。 這樣我們就知道 ， 太陽能電池片的數(shù)目決定了太陽能電池總的輸出功率 。 理論上 ， 太陽能電池的換能效率可達 25％ ， 但實際上不超過 16％ ， 典型的數(shù)值是 10％ ~12％ 之間 。 廣播衛(wèi)星 電源子系統(tǒng) (4) ? 太陽能電池的具體安裝方式為 ， 在基板上貼上一層絕緣薄膜 ， 然后將硅太陽能電池片貼上去 。 由于太陽能電池的表面受到宇宙射線的輻射或高能粒子的轟擊會引起性能的衰退 ， 因此在其表面上還要安裝一層薄薄的石英玻璃蓋片 。 由于太陽能電池的輸出電壓不是很穩(wěn)定的 ， 它與許多因素有關(guān) ， 如太陽光的入射方向 ， 因此在其輸出端要安裝穩(wěn)壓裝置 ， 然后才能作為廣播衛(wèi)星的電源使用 。 廣播衛(wèi)星 電源子系統(tǒng) (5) ? ? 蓄電池也是電源子系統(tǒng)中的一個重要組成部分 ， 在發(fā)生衛(wèi)星蝕的時候 ， 衛(wèi)星進入了地球的陰影區(qū)域 ，因此太陽能電池帆板不工作 ， 廣播衛(wèi)星的電源就只能依靠蓄電池了 。 以前 ， 由于蓄電池的輸出功率不夠 ， 因此在衛(wèi)星蝕期間 ， 衛(wèi)星廣播就只能中斷 。 這樣 ， 在一年之內(nèi)大約有三個月的時間 ， 衛(wèi)星廣播要受到衛(wèi)星蝕的影響 ， 最長的時間可達 73分鐘 。 20世紀 90年代以來 ， 由于蓄電池技術(shù)的完善 ， 輸出的功率已經(jīng)可以滿足廣播衛(wèi)星的需求 ， 因此衛(wèi)星蝕現(xiàn)象對衛(wèi)星廣播就沒有太多影響了 。 廣播衛(wèi)星 電源子系統(tǒng) (6) ? 在廣播衛(wèi)星上廣泛使用的蓄電池有鎳鎘 (Ni— Cd)蓄電池 、 鎳氫 (Ni— H)蓄電池等幾種類型 。 鎳鎘蓄電池的特點是充電效率高 、 耐過充電和耐過放電的性能好 ， 同時對環(huán)境的污染也比較小 。 鎳氫蓄電池的主要特點是輸出功率大 ， 目前大容量的廣播衛(wèi)星通常采用鎳氫蓄電池 ， 它在一小時左右的時間內(nèi)可以提供數(shù)千瓦的電能 ， 因此完全可以在衛(wèi)星蝕期間保證衛(wèi)星廣播的正常進行 。 ? 平常 ， 太陽能電池輸出的電源功率大部分提供給衛(wèi)星上的各種設(shè)備使用 ， 小部分用于給蓄電池充電 。當衛(wèi)星進入地球的陰影區(qū)后 ， 衛(wèi)星就依靠蓄電池來提供電源 。 廣播衛(wèi)星 電源子系統(tǒng) (7) ? ? 電源控制部分用來對太陽能電池和蓄電池進行控制 ，并且還要保證輸出電壓的穩(wěn)定 。 太陽能電池輸入端有一個二極管 Dl， 它的作用是防止蓄電池的放電電流沖擊太陽能電池 ， 二極管 D2， 則給蓄電池提供一個放電途徑 。 充電控制電路保證了蓄電池儲存足夠的電能 。 穩(wěn)壓器則保證了電源電壓的穩(wěn)定 。 廣播衛(wèi)星 跟蹤遙測指令子系統(tǒng) (TTC系統(tǒng) )(1) ? 為了保證廣播衛(wèi)星在同步軌道上長期保持正常穩(wěn)定地運轉(zhuǎn) ， 必須隨時清楚地了解衛(wèi)星的軌道位置 、 姿態(tài)和工作狀態(tài) ， 并且根據(jù)情況及時地發(fā)出適當?shù)倪b控指令 ， 通過衛(wèi)星上的相應機構(gòu)來調(diào)整衛(wèi)星的狀態(tài) ， 以實現(xiàn)對衛(wèi)星進行實時跟蹤和遙測 。 廣播衛(wèi)星 跟蹤遙測指令子系統(tǒng) (TTC系統(tǒng) )(2) ? ? 衛(wèi)星上的跟蹤設(shè)備與地面上的遙控站配合完成測距 、測速 、 測角以及角度跟蹤等功能 。 測距信號由地面上的遙控站發(fā)出 ， 通常是采用調(diào)頻或調(diào)相方式 ， 在衛(wèi)星上則裝有供轉(zhuǎn)發(fā)測距信號的應答機 。 衛(wèi)星應答機接收到測距信號之后 ， 經(jīng)過處理和放大 ， 然后再轉(zhuǎn)發(fā)回地面 。 由于應答機發(fā)出的信號比較穩(wěn)定 ， 所以大大地提高了測距的精度 。 廣播衛(wèi)星 跟蹤遙測指令子系統(tǒng) (TTC系統(tǒng) )(3) ? 測速是根據(jù)多普勒效應實現(xiàn)的 。 由于多普勒頻率跟兩物體的相對速度成正比 ， 因此當測定了多普勒頻率之后 ， 就能夠準確地確定兩物體之間的相對速度 。衛(wèi)星上裝有信標發(fā)生器 ， 它發(fā)出用于確定頻率的信標信號 ， 地面上的遙控站接收到信標信號之后 ， 通過測定其頻率 ， 就能計算出衛(wèi)星的運行速度 。 為了確保測量的精度 ， 衛(wèi)星的信標信號頻率必須有很高的頻率穩(wěn)定度 。 進行角度跟蹤和測角的依據(jù)也是衛(wèi)星發(fā)出的信標信號 ， 它引導地面的遙控站的天線準確地指向衛(wèi)星 ， 以實現(xiàn)對衛(wèi)星的跟蹤 ， 并進行角度測量 。 廣播衛(wèi)星 跟蹤遙測指令子系統(tǒng) (TTC系統(tǒng) )(4) ? ? 衛(wèi)星上的遙測設(shè)備的任務是將各種被測信號收集起來 ， 經(jīng)過適當?shù)奶幚砗?， 再對載波信號進行調(diào)制 ，放大之后經(jīng)天線發(fā)回地面 。 衛(wèi)星上被測信號有電壓 、電流 、 溫度 、 壓力 、 加速度 、 姿態(tài)等等 ， 這些參數(shù)由相應的傳感器采集起來 ， 然后全部轉(zhuǎn)換成為電信號 ， 進一步進行模數(shù)轉(zhuǎn)換形成數(shù)據(jù)信號 ， 地面上的遙控站接收到這些信號之后 ， 就可以了解衛(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài) 。 廣播衛(wèi)星 跟蹤遙測指令子系統(tǒng) (TTC系統(tǒng) )(5) ? ? 衛(wèi)星上的指令控制設(shè)備接收來自地面遙控站的指令 ，然后對衛(wèi)星進行控制 。 衛(wèi)星上需要的控制是多種多樣的 ， 如遠地點發(fā)動機點火 、 衛(wèi)星上小發(fā)動機的噴氣控制 、 衛(wèi)星的姿態(tài)控制 、 修正衛(wèi)星軌道 、 工作方式的轉(zhuǎn)換 、 備份差轉(zhuǎn)機的切換 、 備份儀器的切換等等 。 由于需要進行控制的命令很多 ， 通常可達數(shù)百條以上 ， 同時為了保密的需要 ， 因此控制指令通常采用編碼的方式 ， 如國際通信衛(wèi)星 IS— IV上的遙控指令碼由 25位二進制碼組成 。 廣播衛(wèi)星 跟蹤遙測指令子系統(tǒng) (T