CN112887007A - 一种通信卫星多通道透明转发器开销的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信卫星多通道透明转发器开销的计算方法，所述方法包括：S1：确定多通道透明转发器的参数指标体系和总开销表达式；S2：分别确定所述多通道透明转发器中固定功率放大器和行波管功率放大器的额定工作点；S3：分别确定所述固定功率放大器的数量N_A‑SSPA和行波管功率放大器的数量N_A‑TWTA；S4：计算所述多通道透明转发器总开销S_TR并选取最优方案。

Description

一种通信卫星多通道透明转发器开销的计算方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，更具体的，涉及一种通信卫星多通道透明转发器开销的计算方法。

背景技术

通信卫星的有效载荷主要由通信转发器、收发天线组成。通信转发器是在星上对通信信号进行接收、放大、变频等处理，并经功率放大后通过通信天线将信号转发到地面。转发器根据工作方式可分为透明转发器和处理转发器。透明转发器是指仅完成单纯的信号转发任务，处理转发器则增加了信号数字化和后续的数字处理设备。

一方面卫星处理转发器需要选用高等级的器件以满足载荷长期在轨工作，而高等级的数字电路元器件的性能指标远落后于地面且易受到供方限制，造成同等处理能力的星上数字处理设备量要远远大于地面的；另一方面卫星作为高价值产品其在轨服务时间较长，而通信设备更新换代周期较短，处理转发固化了数字处理的模式、通信体制及信号形式，硬件能力无法有效得到扩充，一旦卫星入轨，就很难实现性能显著升级，与之相比透明转发器构建的通信***只需要升级地面数字设备就可以实现整个***的升级。因此透明转发器常成为通信卫星转发器的主要选项之一，而大容量、低成本是通信卫星的一种发展趋势。大容量意味着通信卫星有效载荷的重量、功耗等开销的增加，有效载荷的重量、功耗受卫星平台的边界约束，也同时也会体现到卫星的价格成本上，本申请针对通信有效载荷大容量与低成本的冲突问题，提出了一种解决方法。

发明内容

为解决上述问题至少之一，本发明的目的在于提供一种通信卫星多通道透明转发器开销计算方法，

所述方法包括：

S1：确定多通道透明转发器的参数指标体系和总开销表达式；

S2：分别确定所述多通道透明转发器中固定功率放大器和行波管功率放大器的额定工作点；

S3：分别确定所述固定功率放大器的数量N_A-SSPA和行波管功率放大器的数量N_A-TWTA；

S4：计算所述多通道透明转发器总开销S_TR并选取最优方案。

所述S1的多通道透明转发器的参数指标体系包括：工作频率f、工作带宽BW、频率复用系数k_f、转发器增益G、转发器功耗P_D、道通带宽BW_CH、转发器EIRP、功率放大器输出功率P_out、误差矢量EVM和临道泄露比ACLR。

所述S1中的所述多通道透明转发器总开销包括低噪声放大器开销S_LNA、滤波器开销S_F、变频器开销S_TF、输入多工器开销S_M-in、功率放大器开销S_PA和输出多工器开销S_M-out；

确定所述多通道透明转发器的总开销表达式为：

S_TR＝S_LNA+S_F+S_TF+(N_A/k_M-in)*S_M-in+N_A*S_PA+N_A*S_M-out……(1)

式(1)中：k_M-in为输入多工器输出端口数，k_M-out为输出多工器输出端口数；

定义转发器转发通道数量为N_C，功率放大器数量为N_A，转发器总开销为S_TR。

所述S2具体包括：

令所述功率放大器的输出回退值和功率放大器的效率η_PA满足转发器功耗指标要求：

η_PA＞N_C*(EIRP-G_A)/P_D*100％…………………………(2)

其中，EIPR为转发器的有效全向辐射功率，N_C为转发器转发通道数量，G_A为天线增益，P_D为转发器的功率损耗；

所述输出回退值于功率放大器的效率η_PA成反比关系，在效率η_PA取值范围内，确定功率放大器的输出回退OBO的最大值OBO_SSPA和OBO_TTWA，并分别取OBO_SSPA和OBO_TTWA对应的效率值η_PA。

所述确定所述固定功率放大器的数量N_A-SSPA具体包括：

所述固定功率放大器的数量N_A-SSPA与其输出功率P_out成反比关系：

所述固定功率放大器的饱和输出功率P_out-sat1的表达式为：

P_out-sat1＝P_out+OBO_SSPA………………………………(4)

且

P_out-sat1<P_out-max……………………………(5)

在满足上述约束式(5)的前提下，确定输出功率P_out的值并选取N_A-SSPA的最小值。

所述确定所述行波管放大器的数量N_A-TTWA具体包括：

所述行波管放大器的数量N_A-TTWA与其输出功率P_out-TTWA成反比关系：

所述行波管放大器的饱和输出功率P_out-sat2的表达式为：

P_out-sat2＝P_out-TTWA+OBO_TTWA………………………………(7)

且

P_out-sat2<P_out-max……………………………(8)

在满足上述式(8)的前提下，确定P_out-TTWA的值选取N_A-TTWA的最小值。

所述S4具体包括，

根据所述OBO_SSPA确定S_PA1，将所述N_A-SSPA和S_PA1代入式(1)中，求出使用固定功率放大器对应的总开销S_TR1；

根据所述OBO_TTWA确定S_PA2，将所述N_A-TTWA和S_PA2代入式(1)中，求出使用行波管放大器对应的总开销S_TR2；

比较S_TR1和S_TR2的大小，选取较小值对应的方案为最优方案。

所述参数指标体系的值确定后，所述总开销表达式中的S_LNA、S_F、S_TF、S_M-in/k_M-in和S_M-out经过计算得到常值。

所述功率放大器开销S_PA在两种方案中分别对应固定功率放大器开销S_PA-SSPA和行波管放大器开销S_PA-TTWA。

本发明的有益效果如下：

本发明的一种通信卫星多通道透明转发器开销计算方法，给出了通信卫星多通道透明转发器不同设计方案间的开销计算方法和详细步骤；可以用于量化通信卫星多通道透明转发器不同设计方案间的开销大小，确认在满足转发器***指标时设计方案的开销最低。

附图说明

图1为根据本发明的一种通信卫星多通道透明转发器开销的计算方法中透明转发器的示意框图。

图2为根据本发明的一个实施例的通信卫星多通道透明转发器开销的计算方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种通信卫星多通道透明转发器开销的计算方法，如图1所示，在一个具体的实施例中，Ku频段多通道透明转发器包括低噪放、滤波器、变频模块、输入多工器、功率放大器和输出多工器。

所述Ku频段多通道透明转发器的工作原理是：首先将地面站发送的上行信号经低噪声放大器进行宽带放大，下一步经过输入滤波进入接收机中，利用接收机中的变频器将信号频率转变为下行信号，然后经过分路滤波实现通道控制，使用一台或多台线性功率放大器对信号进行功率放大，最后利用输出多工器进行功率合成或者频率通道分发，通过发射天线发回地面，完成信号的中继转发任务。

下面以Ku频段多通道透明转发器为例对所述计算方法进行介绍，如图2所示。

所述方法包括：

S1：确定Ku多通道透明转发器参数指标体系及开销模型；

所述参数指标体系包括：工作频率f、工作带宽BW、频率复用系数k_f、转发器增益G_A、转发器功耗P_D、道通带宽BW_CH、转发器EIRP、功率放大器输出功率P_out、误差矢量EVM和临道泄露比ACLR；表1为设计指标所确定的参数值。

定义转发器转发通道数量为N_C，功率放大器数量为N_A，转发器总开销为S_TR。转发器开销则包含低噪放开销S_LNA、滤波器开销S_F、变频器开销S_TF、输入多工器开销S_M-in、功率放大器开销S_PA、输出多工器开销S_M-out：

表1 Ku频段多通道透明转发器参数指标

项目	指标要求	单位
			工作频率f	11.5	GHz
工作带宽BW	2000	Mhz
			频率复用系数k<sub>f</sub>	2
通道数Nc	80
			通道带宽BW<sub>CH</sub>	50	Mhz
转发器EIRP	31	dBW@50Mhz
			转发器增益G<sub>A</sub>	20.8	dB
转发器功耗P<sub>D</sub>	2000	W
			EVM	≤10％
ACLR	≤-25	dBc

在本专利中，总开销包括了重量、功耗、体积、价格等因素，计算值为归一化值。根据Ku频段多通道透明转发器的设计指标，确定归一化开销低噪声功率放大器的开销S_LNA＝0.06、滤波器开销S_F＝0.05、变频器开销S_TF＝0.09、输入多工器开销S_M-in＝0.008、输出多工器开销S_M-out＝0.02，Ku频段多通道透明转发器开销S_TR：

S_TR＝S_LNA+S_F+S_TF+(N_A/k_M-in)*S_M-in+N_A*S_PA+N_A*S_M-out……(1)

式(1)中：k_M-in为输入多工器输出端口数，k_M-out为输出多工器输出端口数；

开销S_M-in正比于系数k_M-in，因此(S_M-in/k_M-in)为常值，开销S_M-out正比于系数k_M-out，则输出多工期总开销(N_A*S_M-out)＝N_C*(S_M-out/k_M-out)也为常值。

S_TR＝0.2+0.028×N_A+N_A*S_PA……(2)

S2：确定功率放大器的额定工作点

通信卫星的功率放大器工作在线性放大区，功率放大器额定工作点即OBO回退受到功率放大器效率η_PA和非线性指标EVM、ACLR的约束，OBO回退越深，放大器非线性失真性能越小，但功率放大效率η_PA效率越低，意味着功率放大器开销S_PA增大，功率放大器的效率η_PA应满足转发器功耗指标指标要求：功率放大器有两种选择方案：固定放大器和行波管放大器；

η_PA＞N_C*(EIRP-G_A)/P_D*100％…………………………(3)

根据实验，设定功率放大器的EVM值需优于10％、ACLR需要优于-25dBc；确定固态放大器OBO回退3dB以上时满足EVM值优于10％、ACLR优于-25dBc的指标要求，真空器件行波管放大器输出回退4dB以上时满足所述指标要求。Ku频段固态放大器OBO回退3dB时，效率大于50％，Ku频段行波管放大器OBO回退4dB时，效率大于55％，两者均满足转发器功耗P_D不大于2000W的指标要求。

选取回退值允许范围内的最小值，确定OBO_SSPA＝3dB、OBO_TWTA＝4dB

S3：确定放大器数量N_A值

功率放大器数量N_A值则受频率复用系数k_f、通道数量N_C及输出多工器输出端口数k_M-out约束：

N_A≥k_f*N_C/k_M-out…………………………………(4)

N_A值的选择还受到功率放大器额定输出功率P_out的约束。

由式(4)可以看出N_A与P_out成反比关系，选择合适的P_out值可降低N_A值，功率放大器额定输出功率P_out则受到额定工作点(OBO回退)、工作频率f等因素制约。

功率放大器OBO回退状态约束着额定输出功率P_out：

P_out-sat＝P_out+OBO(dB)…………………(6)

根据实验得到：Ku频段固态放大器的饱和输出功率Pout-sat的约束式为：

P_out-sat1<P_out-max＝50dBm＝100W…………………(7)

N_A值的选择同时受限于功率放大器的工作频率相对带宽，放大器输出功率P_out等指标约束：

N_A≥(BW_CH*N_C/f)/C％………………………(8)

式中C％为功率放大器的相对工作带宽，C＞0；

功率放大器有两种选择方案：固定功率放大器和行波管放大器；

选取固定功率放大器数量N_A-SSPA最小值，令N_A-SSPA＝k_f＝2，根据转发器EIRP的值31dBW、天线增益G_A的值20.8dB计算得到Ku频段固态放大器额定输出功率P_out1＝420W，饱和输出功率P_out-sat1＝840W，不满足式(7)的要求；将N_A-SSPA的值递增，当N_A-SSPA＝10时，P_out-sat1＝P_out1+OBO_SSPA(dB)；

其中，

P_out1＝24*20/10＝48W；

饱和输出功率P_out-sat1＝P_out1+OBO_SSPA(dB)＝96W，满足Ku频段固态放大器P_out-sat1约束P_out-sat1<P_out-max＝50dBm＝100W；

选取行波管放大器数量N_A-TTWA最小值，令N_A-TTWA＝k_f＝2，计算得到Ku频段行波管放大器额定输出功率P_out2＝420W，饱和输出功率P_out-sat2＝1052W；，不满足式(7)的约束；将N_A-TWTA递增，递增至4时，计算得到饱和输出功率P_out-sat2满足Ku频段行波管放大器饱和输出功率的约束。

根据功率放大器器件类型特性，N_A-TWTA＝4时N_A-TWTA≥(BW*N_C/f)/C₁％＝3.5，满足式(8)约束，当N_A-SSPA＝10时N_A-SSPA≥(BW*N_C/f)/C₂％＝5.8，满足式(8)约束。其中N_A-TWTA为行波管放大器的数量，N_A-SSPA为固定功率放大器的数量；C₁％为固定功率放大器的相对工作带宽，由实验可得，其值等于3.97；C₂％为行波管放大器的相对工作带宽，由实验可得，其值等于2.4；C₁和C₂均大于零。

由N_A-TWTA-min＝4确定行波管放大器输出功率P_out2＝210W，由行波管放大器的型号确定其开销S_PA2＝0.16，由N_A-SSPA-min＝10确定固态放大器输出功率P_out1＝44W，由固态放大器的型号确定其开销S_PA1＝0.05。

S4：计算多通道透明转发器开销S_TR

将上述步骤中得到的固定功率放大器数量N_A-SSPA和其对应的开销S_PA1代入式(2)中得到选择固定功率放大器时所需的转发器总开销S_TR1为0.952；

将上述步骤中得到的固定功率放大器数量N_A-TTWA和其对应的开销S_PA2代入式(2)中得到选择行波管放大器时所需的转发器总开销S_TR2为0.98；

计算得到S_TR1＝0.952、S_TR2＝0.98；S_TR＝Min(S_TR1，S_TR2)＝0.952，确定Ku频段透明转发器最低开销设计方案为选取行波管放大器。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种通信卫星多通道透明转发器开销的计算方法，其特征在于，

所述方法包括：

S1：确定多通道透明转发器的参数指标体系和总开销表达式；

S2：分别确定所述多通道透明转发器中固定功率放大器和行波管功率放大器的额定工作点；

S3：分别确定所述固定功率放大器的数量N_A-SSPA和行波管功率放大器的数量N_A-TWTA；

S4：计算所述多通道透明转发器总开销S_TR并选取最优方案。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述S1的多通道透明转发器的参数指标体系包括：工作频率f、工作带宽BW、频率复用系数k_f、转发器增益G、转发器功耗P_D、道通带宽BW_CH、转发器EIRP、功率放大器输出功率P_out、误差矢量EVM和临道泄露比ACLR。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述多通道透明转发器总开销包括低噪声放大器开销S_LNA、滤波器开销S_F、变频器开销S_TF、输入多工器开销S_M-in、功率放大器开销S_PA和输出多工器开销S_M-out；

确定所述多通道透明转发器的总开销表达式为：

S_TR＝S_LNA+S_F+S_TF+(N_A/k_M-in)*S_M-in+N_A*S_PA+N_A*S_M-out……(1)

式(1)中：k_M-in为输入多工器输出端口数，k_M-out为输出多工器输出端口数；

定义转发器转发通道数量为N_C，功率放大器数量为N_A，转发器总开销为S_TR。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述S2具体包括：

令所述功率放大器的输出回退值和功率放大器的效率η_PA满足转发器功耗指标要求：

η_PA＞N_C*(EIRP-G_A)/P_D*100％…………………………(2)

其中，EIPR为转发器的有效全向辐射功率，N_C为转发器转发通道数量，G_A为天线增益，P_D为转发器的功率损耗；

所述输出回退值于功率放大器的效率η_PA成反比关系，在效率η_PA取值范围内，确定功率放大器的输出回退(OBO)允许的最大值OBO_SSPA和OBO_TTWA，其中，OBO_SSPA对应固定功率放大器的输出回退值，OBO_TTWA对应行波管放大器的输出回退值，并分别取OBO_SSPA和OBO_TTWA对应的效率值η_PA。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述确定所述固定功率放大器的数量N_A-SSPA具体包括：

所述固定功率放大器的数量N_A-SSPA与其输出功率P_out成反比关系：

所述固定功率放大器的饱和输出功率P_out-sat1的表达式为：

P_out-sat1＝P_out+OBO_SSPA………………………………(4)

且

P_out-sat1<P_out-max……………………………(5)

在满足上述约束式(5)的前提下，确定输出功率P_out的值并选取N_A-SSPA的最小值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述确定所述行波管放大器的数量N_A-TTWA具体包括：

所述行波管放大器的数量N_A-TTWA与其输出功率P_out-TTWA成反比关系：

所述行波管放大器的饱和输出功率P_out-sat2的表达式为：

P_out-sat2＝P_out-TTWA+OBO_TTWA………………………………(7)

且

P_out-sat2<P_out-max……………………………(8)

在满足上述式(8)的前提下，确定P_out-TTWA的值选取N_A-TTWA的最小值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述S4具体包括，

根据所述OBO_SSPA确定S_PA1，将所述N_A-SSPA和S_PA1代入式(1)中，求出使用固定功率放大器对应的总开销S_TR1；

根据所述OBO_TTWA确定S_PA2，将所述N_A-TTWA和S_PA2代入式(1)中，求出使用行波管放大器对应的总开销S_TR2；

比较S_TR1和S_TR2的大小，选取较小值对应的方案为最优方案。

8.根据权利要求1的方法，其特征在于，

所述参数指标体系的值确定后，所述总开销表达式中的S_LNA、S_F、S_TF、S_M-in/k_M-in和S_M-out经过计算得到常值。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述功率放大器开销S_PA在两种方案中分别对应固定功率放大器开销S_PA-SSPA和行波管放大器开销S_PA-TTWA。

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