EHF频段卫星通信特点与关键技术分析

夏融

摘 要：随着Ka频段卫星通信系统的逐步建立与普及，为获得更多的通信资源，需要建立更高频段的EHF频段卫星系统，该频段的射频器件、卫星链路等相比传统卫星通信系统均有其自身特点，是未来设计EHF卫星系统必须考虑的问题。文章分析了典型卫星链路和链路中各环节需要的关键技术。

关键词：EHF；卫星通信系统；频段

极高频（Extremely High Frequency，EHF）频段卫星通信作为下一代卫星通信的发展方向之一，具有通信频段高、频率资源丰富、天线终端小、波束窄、抗干扰能力强的特点。在过去的几十年中，其基础技术研究得到了蓬勃发展，并逐步进入应用阶段，英、美等国家已经设计并建设了多个不同类型的EHF频段卫星通信系统[1]。

美军在其天基系统的规划中，设计并完成了两大EHF频段的卫星系统：Milstar和先进极高频（Advanced Extremely High Frequency，AEHF）系统。首先建设完成的Milstar系统，工作在EHF频带，终端上行频率为44 GHz的EHF，下行频率为20 GHz的超高频（Super High Frequency，SHF）或特高频（Ultra High Frequency，UHF）频段，卫星上采用了调零天线，地球站大规模使用小型化的可移动终端，整个系统具有灵活、抗干扰强、频带宽的特点。AEHF卫星作为Milstar的替代者，其卫星点波束更小，功率更高，提高了通信的可靠性和数据率，也极大降低了敌方侦听和干扰的可能性。

通过外军EHF频段系统的特点可见，EHF频段频率资源丰富、抗干扰能力强、通信终端体积小，且该频段与一般民用通信系统距离较远，近地干扰小，在军事应用领域具有重要意义。

1 典型EHF通信链路

一个典型的EHF频段卫星通信链路如图1所示。

为完成一次完整的通信，系统需要具备如图1所示的各类资源与设备。地面链路中的数据源设备将源用户的视频、话音、数据等信号源转化为可供无线信道传输的数字信号；信道编解码设备将待传输的数字信道进行编码，提高无线信道传输的可靠性，通常可采用低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check，LDPC）或Turbo码等编码方式；调制解调设备将编码后的数字信号转换为可无线传输的电波信号，功放设备将电波信号放大后通过发射天线发送至空间链路。

空间链路中的卫星信道需要根据实际所需的信号带宽分配相应的频率资源，卫星将卫星信道中传输来的信號进行接收、处理、转发，传送至对端站，以完成一次完整的通信。

以上通信链路中包含信道部分的编解码、调制解调，射频部分的功率放大器、低噪声放大器，EHF频段卫星信道等环节，相比现有通信频段，在每个环节上EHF频段均有其特点与关键技术点。

2 EHF主要关键技术及面临的挑战

如图1所示，空间链路使用了EHF频段，按照国际电联的频段划分，总信道带宽可达到几十GHz，实际通信中通过各种复用手段，单次可分配的通信带宽可达几十至数百MHz，使得EHF系统可支持的数据传输速率相比现有系统大大提升[2]。

地面链路中的信道编解码、调制解调所支持的带宽大大提升，功率放大器、低噪声放大器效率也得以提高，所需的天线口径也可以减小，使得设备得以小型化、便携化。

但应注意到系统在获得上述系统优点的同时也需要突破一系列的关键技术，面临各类挑战。

2.1 小型化的天线伺服设备

按照天线设计的原则，在相同增益的条件下，频段越高所需要的天线口径越小，这使得EHF频段天线得以小型化，美军在其空间极其狭小的潜望镜平台上也部署了EHF频段设备。EHF频段设备在获得天线口径得以降低的优势的同时，其波束角相比Ka，Ku频段都更为窄小，对星精度的要求远高于现有设备，对天线的伺服跟踪系统的精度要求高于以前，需要使用更高精度的伺服电机，特别在高速运动的平台上，实时的天线跟踪技术显得尤为重要，这对伺服的运动速度、加速度，平台运动轨迹的精确度、刷新速度均提出了更高要求，在跟踪技术上传统的步进式跟踪难以满足需求，更高精度的单脉冲跟踪方式也面临着设备小型化、低功耗的设计难题，又制约了设备小型化、低功耗的设计。

2.2 射频器件

EHF频段射频设备的效率要求与小型化要求也较以前更为苛刻，GaAs器件的普遍使用与GaN器件的逐步推广，使EHF频段在固态器件及其集成电路板（Integrated Circuit，IC）的研发领域有了新的突破[3]。这些新工艺、新技术在卫星转发器及地面站设备的研制中均起了至关重要的作用，主要包括：（1）低噪声放大器。低噪声放大器在放大极低电平的信号的同时引入较少的噪声，在EHF频段使用时可采用的高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT），相较于传统的场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET），其具有高效率、高增益、工作频段高的优点，更适合EHF频段使用。（2）功率放大器。在EHF频段，固态功率放大器正在逐渐代替传统的行波管放大器（Traveling-Wave Tube Amplifier，TWTA）。固态功率放大器具有体积重量小、噪声低、畸变低、可靠性高等优点，主要缺点是效率低，这需要在实际设备的设计中不断优化。

2.3 卫星链路

EHF频段的卫星链路从星上载荷的处理技术到链路的评估/系统设计均不同于现有系统。

2.3.1 星上处理技术

通过星上处理技术，可以减少在上行链路中信号传输所受噪声、干扰的影响，增强下行链路的抗干扰能力，减轻邻道干扰，简化地球站设计，EHF频段星上处理技术一般包含以下两类。

（1）波束动态调节。EHF卫星为前向功率受限的系统，需要根据服务区的用户和雨衰情况，采用功率集中或调节波束大小来调整输出的功率，以满足系统内用户的动态变化。endprint

（2）星上基帶处理。星上处理需要完成卫星链路上模拟信号到数字基带的转化，再重新转译后再次进行发送，这样才能降低上行链路传输过程中的影响，这不仅需要解调到数字比特流，而且还要进行译码、存储、交换、重组帧、重编码和重调制等，同时在器件上还需要考虑到太空中的宇宙射线辐射也会对地面普遍使用的现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）等电路带来影响，这些均为星上处理的实现带来挑战。

2.3.2 多波束技术

EHF频段在40 GHz以上，波束范围窄，单个波束覆盖面积小，如需实现常态化的全国或全球覆盖则需要采用蜂窝式的波束，相较于传统甚小天线地球站（Very Small Aperture Terminal，VSAT）形式的卫星通信，需增加波束切换、漫游等功能。

2.3.3 星上交链技术

EHF频段卫星通信系统主要在用户链路使用EHF频段，以提供小体积终端设备。在馈电链路可采用SHF的设备，不太容易受到天气因素的影响，提供较为稳定可靠的通信链路，需要在卫星上完成信号的交链处理。

2.3.4 雨衰的影响评估

EHF工作频段高，受云层、雨衰的影响较大，在44 GHz频段可以达到12～20 dB，在应用系统的评估设计时应充分考虑到天线的影响，具体到设计上则包括对调制解调器的动态范围要求提高，系统内各类站型的设计与配置的链路余量分配等，均需要重新设计评估，不能简单地照搬现有系统。而EHF频段在我国尚未大规模投入使用，实际工程数据较为缺乏，在国外也主也要用于军事用途，数据获取相对困难，其链路特性还有待进一步探索，对应用系统的开发使用形成制约。

3 结语

本文分析了国内外卫星系统的特点，并依据典型卫星链路分析了通信中存在各种挑战，点出了今后的设计研究需要突破的关键技术与发展方向。随着我国卫星通信网的不断发展及与之匹配的技术不断完善，EHF频段的卫星通信在不久的将来将会被逐步推广完善，完善与突破上述的关键技术有助于推进我国EHF卫星通信事业的发展。

[参考文献]

[1]苑超，谭东，张晓宁，等.EHF卫星通信的特点与现状[J].数字通信世界，2013（5）：54-58.

[2]袁飞，文志信，王松松.美军EHF卫星通信系统[J].国防科技，2010（6）：22-26.

[3]甘仲民.卫星通信技术的新发展[J].数字通信世界，2013（10）：12-13.

Abstract：With the gradual establishment and popularization of Ka-band satellite communication system， more EHF band satellite systems need to be established in order to obtain more communication resources. Compared with the traditional satellite communication systems， radio frequency devices， satellite links in EHF band and other have their own characteristics and are the issues that must be considered in future design of the EHF satellite system. This article analyzes the typical satellite link and analyzes the key technologies needed in the link.

Key words：EHF； satellite communication system； frequency bandendprint