卫星移动通信系统中的 波束成形技术
清华大学 中国空间技术研究院 通信卫星事业部
2010年8月25日，北京
提纲 星上单馈源对应单波束形成多波束技术 星上数字/模拟波束形成技术 地基波束形成技术 总结与展望
清华大学 王京
1. 单馈源对应单波束形成
每个馈源放置在天线的焦点上
直接经由天线反射面辐射形成单波束 多个馈源（阵）放置在天线的不同焦点上构成多波束
大型反射面及馈源阵列在轨展开技术； 紧凑、高增益、低旁瓣馈源设计； 馈源阵列排布优化技术； 降低馈源间互耦效应的相关技术； 通过极化正交和降低旁瓣电平增加频率复用技术； 按需调整波束覆盖区在轨重构技术。
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2. 星上数字/模拟波束形成技术
对多馈源信号分别进行移相加权在轨合成多个波束
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3. 地基波束形成技术（GBBF）
Hale Waihona Puke 用场景 星上信道化、透明转发
通过地面关口站形成波束，实现对服务区的多波束覆盖
优点

简提化供了了三波卫束星、有形效成地载的荷灵基活的波性设计束复杂形度 成技术
降低风险
缺点
无法支持单跳业务
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3.1 地基波束形成技术发展现状
权值
形成示例
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2. 星上数字/模拟波束形成技术
优点
可形成更多的波束 提高通信容量 提高EIRP和G/T值 可灵活调整
缺点：
波束形成网络（BFN）复杂 技术难度较高
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2.1 星上波束形成技术发展现状
模拟波束形成
Globalstar
星载天线口径18.28米
产生500多个点波束
可以覆盖美国大陆50个州，加拿大，阿拉斯加，夏威夷，波多黎各和美国的
• 星上波束成形网络可形成多个可移动和可控形状的点波束
• 可进行固定、移动和多媒体通信及卫星定位等试验
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2.1 星上波束形成技术发展现状
数字波束形成（DBF）
相比于模拟技术的优点：不漂移、不老化、工作可靠、可自检、可编
程、精度高
Thurary系统
• 3颗GEO卫星由波音公司制造
射。卫星由劳拉公司研制，采用LS-1300平台。ICO G1卫星是
首颗采用GBBF技术的在轨卫星，可以构成250个发送及250个接
收的S频段波束。
TerreStar-1
劳拉公司制造，2009年7月1日发射
用于北美地区的移动通信
第一次采用双向GBBF系统（two way GBBF）
基于地面校准和波束形成
• GEO卫星，洛克马丁公司制造
– Garuda-1（2000.2.12），计划中的Garuda-2被取消
• 两副88馈源阵12米口径天线
• 140个通信点波束和8个可控点波束
Inmarsat-4
• 3颗GEO卫星，由EADS Astrium公司制造
ACeS
• 9米口径星载天线，120个馈源
• 1个全球波束，19个宽点波束，228个窄点波束
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2.2 星上波束形成关键技术
模拟波束形成关键技术
多通道幅相校准技术 • 各通道相位及幅度误差校准
高可靠、小型化技术 • MMIC（单片微波集成电路技术）
抗辐照、易老化和漂移
数字波束形成关键技术
数字波束形成ASIC实现技术 • FPGA向专用芯片技术转化
波束在轨校准技术 • 校准各波束指向精度
卫星由洛马公司研制 1副多波束天线由9个单馈源形成的固定点波束，覆盖日本国内 1副多波束天线由10个单馈源形成固定点波束，覆盖东南亚及周边地区
Ka-Sat，预计2010.11-2011.1之间发射
EADS Astrium公司研制，82个单馈源形成的Ka点波束
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1.2 单馈源单波束形成多波束的关键技术
宽带卫星通信系统中应用广泛 优点：最简单最直接
多用于星上资源相对紧张的情况 避免复杂的波束形成网络 避免额外的馈电链路带宽及复杂的相位校准
缺点
难以形成大规模的波束数目 远离焦点的馈源对反射面照射效率较低
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1.1 单馈源单波束发展现状
Anik-F2，2004.7.18发射
模拟或者数字处理
不同的天线技术
多波束反射面天线
• 多在静止轨道大型通信卫星上采用
多波束直接辐射阵列(或称多波束相控阵天线)
• 多在中低轨道通信卫星上采用
多波束透镜天线
• 由于比反射面天线复杂，目前主要用于地面
馈源 阵
下变频
A/D
数字加权合 并
D/A
至馈电 合路
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接收数字波束
ETS-VIII卫星
• 直接辐射平面阵列结构有源相控阵天线
• 91个发射/61个接收辐射单元，形成16个波束
日本ETS-VIII（kiku-8）
• 2006.12.18发射
• 收发各一面19.2m×16.7m天线，等效孔径13m
• 每副天线由14 个独立的、呈正六边形的模块组成
• 采用MMIC形成多波束，31个固态功放，31个低噪声放大器
美国波音公司研制，45个单馈源形成的Ka点波束
Wildblue-1，2006.12.8发射
劳拉公司研制，35个单馈源形成的Ka点波束
IPSTAR，2005.8.11发射
劳拉公司研制 Ku频段84个单馈源形成的点波束 Ka频段18个单馈源形成的点波束
WINDS，2008.2.23发射
TDRS：美国用于跟踪包括航天飞机在内的地球轨道飞行器并将
数据传回地球的中继卫星系统，其S频段载荷最早应用了类地
基 波 束 形 成 技 术 ， 用 于 多 址 星 间 链 路 ， 该 技 术 称 为 Adaptive
Ground Implemented Phased Array（AGIPA）。
ICO G1：北美首颗S频段移动多媒体广播卫星，于2008年4月发
– Thurary-1（2000.10.20） – Thurary-2（2003.6.10） – Thurary-3（2008.1.15）
• 采用先进的数字波束形成技术
• 星载天线12.25m×16m，128个馈源
Thuraya
• 产生250～300个在轨可重定向点波束
ACeS系统（亚洲蜂窝卫星系统）