專利名稱:使用頻率復(fù)用的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明一般涉及衛(wèi)星通信系統(tǒng)，特別是那種利用位于地球上空的同步軌道上的衛(wèi)星在地面上的許多小孔徑天線地面站間建立通信聯(lián)絡(luò)的那種衛(wèi)星通信系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種具有能容納雙向通信和廣播通信系統(tǒng)的混合通信能力的一種通信衛(wèi)星。在小孔徑天線地面站間的雙向通訊是通過在地面上某個(gè)地區(qū)和鄰近地區(qū)中多重復(fù)用一個(gè)給定的頻譜來實(shí)現(xiàn)的。
在連接大量很小孔徑天線地面站的國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)性能的最重要的兩個(gè)參數(shù)是“各向同性有效輻射功率”(Effective Isotropic Raoliated Power)(EIRP)和可用帶寬。EIRP是指考慮了天線增益以后的衛(wèi)星發(fā)射機(jī)功率的度量。EIRP是實(shí)現(xiàn)與實(shí)際使用的發(fā)射機(jī)和天線相同的結(jié)果的發(fā)射機(jī)和各向同性天線的功率。
以往，人們都使用覆蓋一個(gè)國(guó)家的數(shù)個(gè)地區(qū)或服務(wù)于地球上的其他區(qū)域的多個(gè)上行和下行鏈路波束來實(shí)現(xiàn)高到天線增益和多重頻率復(fù)用，頻分系統(tǒng)及時(shí)分系統(tǒng)已經(jīng)得到使用或提出在很多地理上分開的地面站間互連大量信號(hào)。時(shí)分系統(tǒng)能使衛(wèi)星上的發(fā)射機(jī)以較高的效率工作，這是因?yàn)榘l(fā)射機(jī)在一個(gè)時(shí)刻只需放大一個(gè)時(shí)分信號(hào)，因此發(fā)射機(jī)可工作在或靠近信號(hào)通道飽和范圍(即最高效率工作點(diǎn))。然而，時(shí)分系統(tǒng)要求地面發(fā)射機(jī)且需進(jìn)行昂貴的信號(hào)處理，因此它不能與廉價(jià)的地面站相兼容。頗分系統(tǒng)倒是更適合于低造價(jià)地面站，但這種系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)效率較低，因?yàn)槊總€(gè)發(fā)射機(jī)要處理多個(gè)載波。由于當(dāng)發(fā)射機(jī)效率增加時(shí)多載波放大器會(huì)產(chǎn)生不希望有的互調(diào)產(chǎn)物，增加了功率，發(fā)射機(jī)效率和產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物這一矛盾的最佳折衷也會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)效率較低。
在最適合于很小的地面站間進(jìn)行雙向業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信波段Ku波段中，雨對(duì)信號(hào)的衰減在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)是一個(gè)重要的考慮因素。在以往的系統(tǒng)中，這個(gè)衰減是在下行時(shí)使用比晴天服務(wù)時(shí)所需衛(wèi)星的信道發(fā)射功率更高(典型為四倍)。因此，為適應(yīng)降雨造成的衰減使衛(wèi)星變得很昂貴，只有很少的可用信道。
衛(wèi)星系統(tǒng)的有用帶寬由分配的頻譜復(fù)用次數(shù)來決定。波束的極化和空間隔離可用來允許復(fù)用頻譜。然而當(dāng)被隔離的波束數(shù)增加時(shí)，互連所有用戶的問題就變得極為復(fù)雜，成為限制頻譜復(fù)用次數(shù)的一個(gè)因素。
本發(fā)明旨在解決上面提到的各個(gè)缺點(diǎn)。
本發(fā)明提出一種互連大量很小孔徑天線地面站的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，它可使衛(wèi)星的EIRP和可用帶寬最大化。這個(gè)系統(tǒng)采用方向性極高的鄰接的下行鏈路波或者發(fā)射能充分提高EIRP和給這頻譜允許多重復(fù)用的信號(hào)。這樣，能提供點(diǎn)到點(diǎn)通信服務(wù)的數(shù)量達(dá)到最大化。多載波發(fā)射機(jī)的高效率通過互調(diào)產(chǎn)物的散布結(jié)果得到的。降雨對(duì)下行鏈路信道的有害影響可以很容易地用匯集發(fā)射功率的方法來解決，并用濾波器互連矩陣結(jié)合高方向性的可尋址下行波束來實(shí)現(xiàn)許多用戶的互連。
根據(jù)本發(fā)明提供的系統(tǒng)使用一顆通訊衛(wèi)星對(duì)地面上一個(gè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)地面站進(jìn)行互連，使它們之間能進(jìn)行雙向通信。衛(wèi)星服務(wù)區(qū)域中的各地區(qū)各自發(fā)出上行鏈路波束，這樣就形成了多個(gè)上行波束。上行波束傳送了多個(gè)位于第一預(yù)置上行頻段內(nèi)的許多信道。每個(gè)上行區(qū)域使用相同的預(yù)置頻段，這樣上行頻率在每個(gè)區(qū)域復(fù)用，從而有效地成倍增加了衛(wèi)星可操作的通信信道數(shù)目。發(fā)向各個(gè)下行鏈路區(qū)域(zone)的多個(gè)下行波束傳送了在第二預(yù)置頻段的多個(gè)信道，每個(gè)下行區(qū)域的波束也使用同樣的第二預(yù)置頻段，從而使這些頻率被多次復(fù)用。衛(wèi)星采用濾波互連矩陣以互連在不同區(qū)域內(nèi)的信道。
利用波束形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)合發(fā)射天線陣列產(chǎn)生一個(gè)方向窄(如東、西方向)，而在其正交方向上寬的扇形波束，覆蓋地區(qū)內(nèi)波束的東西方向由下行頻率決定，它與上行鏈路頻率只有一個(gè)恒定的差值。因此，上行鏈路頻率決定了下行鏈路頻率，通過波束形成網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射陣列的作用決定了下行波束方向，因此也就決定了波束的目的地。這樣的一種安排叫做頻率尋址波束。波束的旁瓣設(shè)計(jì)得很低，因此在鄰近區(qū)域內(nèi)可進(jìn)行頻譜的復(fù)用。
發(fā)射機(jī)最好采用固態(tài)放大器裝在發(fā)射天線陣列之中，每個(gè)發(fā)射機(jī)對(duì)應(yīng)于陣列的每個(gè)側(cè)板(staue)。每個(gè)這樣的放大器都放大衛(wèi)星所服務(wù)的全部上萬個(gè)信號(hào)。由于全部的下行鏈路功率是由這種單一的集總發(fā)射機(jī)所提供的，為發(fā)向受雨影響區(qū)域數(shù)量較少的信號(hào)提供較高的功率，這對(duì)大量的未影響的信號(hào)的有用功率只有非常小的一點(diǎn)影響。
因?yàn)榘l(fā)射波束的方向與它們的信號(hào)頻率有關(guān)，而功率放大器中產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物的頻率不同于產(chǎn)生它們的信號(hào)的頻率，因此互調(diào)產(chǎn)物以有別于信號(hào)的方向下行。這個(gè)過程導(dǎo)致了各互調(diào)產(chǎn)物間的空間分散。使用多個(gè)下行區(qū)域時(shí)這種分散得到加強(qiáng)，使用寬度不等的多個(gè)區(qū)域時(shí)這種分散將進(jìn)一步加強(qiáng)。這使所有地面站在其已調(diào)諧的頻段中互調(diào)產(chǎn)物降低。這種對(duì)互調(diào)產(chǎn)物靈敏度的降低允許衛(wèi)星上的功率放大器以更高效率地工作。
因此，本發(fā)明的一個(gè)基本前的是提供一種通信衛(wèi)星，利用衛(wèi)星發(fā)射天線的高增益和允許給定頻譜的多重復(fù)用，互連大量很小孔徑天線地面站，從而大大地增加了能提供點(diǎn)到點(diǎn)通訊服務(wù)的通信信道數(shù)目。
本發(fā)明的另一目的是從一個(gè)簡(jiǎn)單匯集的發(fā)射機(jī)提供下行鏈路功率，這樣，被雨所衰減的信號(hào)能很容易地分配到較多的衛(wèi)星發(fā)射功率。
本發(fā)明的另一目的是提供一種通信衛(wèi)星，它能分散互調(diào)產(chǎn)物，以提高發(fā)射機(jī)功率。
本發(fā)明的另一個(gè)更進(jìn)一步的目的是提供一種上面所描述的能提供廣播和點(diǎn)到點(diǎn)通信服務(wù)的通信衛(wèi)星。
在下面對(duì)本發(fā)明的描述過程中，本發(fā)明的上面這些和其他目的和優(yōu)點(diǎn)將表述得更清楚、更顯而易見。
在附圖中;
圖1是通信衛(wèi)星的透視圖，所示為天線子系統(tǒng)。
圖2是圖1中天線子系統(tǒng)的俯視圖。
圖3是圖2中沿3-3線的剖視圖。
圖4是圖2中沿4-4線的剖視圖。
圖5是裝備此發(fā)明的衛(wèi)星所覆蓋的美國(guó)及鄰近接收地區(qū)的視圖。斜線表示所覆蓋的基本區(qū)域，由小黑點(diǎn)表示的區(qū)域?yàn)椴捎脜^(qū)域。
圖6是通信衛(wèi)星通信電子系統(tǒng)方塊圖。
圖7是耦合網(wǎng)絡(luò)的原理示意圖，此網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)到點(diǎn)的接收饋喇叭和圖6所示通信電子系統(tǒng)的輸入。
圖8是用于連接接收和發(fā)射地區(qū)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)的互連信道參考圖表。
圖9是衛(wèi)星覆蓋的描述多個(gè)相鄰發(fā)射區(qū)域的美國(guó)圖解表示及橫貫美國(guó)各地區(qū)的互聯(lián)信道的地理分布圖。
圖9A是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)每一地區(qū)發(fā)射天線波束增益變化曲線圖。此曲線與東西方向上離開波束中心的距離有關(guān)。
圖9B是與圖9A類似的曲線，表示南北方向上的增益的變化。
圖10是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)濾波互聯(lián)矩陣的詳細(xì)原理圖。
圖11是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)的波束成形網(wǎng)絡(luò)的平面詳圖。
圖12為圖11所示波束成形網(wǎng)絡(luò)的局部放大圖示。
圖13為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中發(fā)射陣列的正視圖，為清晰起見，每一發(fā)射單元中的水平槽縫未畫出。
圖14為圖13所示發(fā)射陣列的側(cè)視圖，并畫出了單元的共饋網(wǎng)絡(luò)。
圖15為圖13所示的發(fā)射陣列中發(fā)射單元的正面透視圖。
圖16為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)中接收饋送喇叭的正視圖。
圖17為表示點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)中發(fā)射波和部分發(fā)射饋源陣列間關(guān)系的簡(jiǎn)圖。
先參看圖1-4，通信衛(wèi)星10位于地球表面上方的同步軌道中。衛(wèi)星天線系統(tǒng)(在下面將詳細(xì)介紹)安裝在面向地球的平臺(tái)上。這樣天線系統(tǒng)可以和地球保持固定的方向。
衛(wèi)星10是一顆混合的通信衛(wèi)星，它在一個(gè)特定的波段上(如固定衛(wèi)星利用Ku波段)提供兩種不同的通信服務(wù)。一種通信服務(wù)(下面稱之為點(diǎn)到點(diǎn)服務(wù))在很小孔徑天線地面站間提供空帶聲頻和數(shù)據(jù)信號(hào)的雙向通信。通過運(yùn)用頻分多址(FDMA)及指定工作頻譜的復(fù)用，可以單一的線性極化同時(shí)容納成千上萬個(gè)通信信道。衛(wèi)星10的另一種通信服務(wù)是廣播，它由另一個(gè)線性極化承擔(dān)。廣播用于衛(wèi)星10的服務(wù)地理區(qū)域內(nèi)，基本上采用單向視頻和數(shù)據(jù)傳輸。這樣，發(fā)射天線的波束覆蓋了整個(gè)的地理區(qū)域。為說明起見，假定接收點(diǎn)到點(diǎn)及廣播服務(wù)的地理地區(qū)是美國(guó)，因此可以用下面的CONUS(美國(guó)大陸)系統(tǒng)為例來介紹廣播服務(wù)系統(tǒng)。
衛(wèi)星10的天線系統(tǒng)包括一個(gè)傳統(tǒng)的全向天線13和分別用于點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)及CONUS系統(tǒng)的二個(gè)天線系統(tǒng)。點(diǎn)到點(diǎn)天線子系統(tǒng)提供雙向通信鏈路，聯(lián)接雙向通信的地面站。CONUS天線系統(tǒng)作為廣播的轉(zhuǎn)發(fā)器，以較寬的幅射方向圖覆蓋整個(gè)美國(guó)，其信號(hào)被一個(gè)或多個(gè)地面上指定地區(qū)所接收。點(diǎn)到點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)及CONUS的接收信號(hào)是垂直極化的。CONUS的發(fā)射及點(diǎn)到點(diǎn)的接收信號(hào)是水平極化的。天線系統(tǒng)包含一個(gè)大反射器裝置12，它由兩個(gè)反射器12a和12b構(gòu)成。兩個(gè)反射器12a和12b圍繞公共軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩反射器在它們的中點(diǎn)相交。反射器12a為水平極化由水平極化信號(hào)控制，而反射器12b為垂直極化由垂直極化信號(hào)控制。因此，反射器12a、12b各反射另反射器12a、12b的發(fā)射信號(hào)。
頻率選擇屏18由18a、18b兩部分構(gòu)成，它裝在支架30上，兩個(gè)半屏18a、18b相對(duì)安裝在衛(wèi)星10的中心線兩邊，如圖2中所示的。頻率選擇屏18作為雙工器，用來分開不同的頻帶，它由一個(gè)分立陣列組成，其中的電導(dǎo)元件由銅一類的材料制成。任何各種類型的已知頻率選擇屏都可以用在這個(gè)天線系統(tǒng)中，在我方編號(hào)為PPD-85512的美國(guó)專利申請(qǐng)中所給出的頻率選擇器，具有極好的傳輸性能，并能區(qū)分十分相近的兩個(gè)頻帶。Hughes飛機(jī)公司的產(chǎn)品中就采用了這種選擇器。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及CONUS子系統(tǒng)中，這個(gè)頻率選擇器有效地分離發(fā)射和接收信號(hào)。可以這樣認(rèn)為，兩個(gè)半屏18a、18b各自用來分離水平及垂直極化的信號(hào)。
在該例中，以單一的波束服務(wù)于全國(guó)的CONUS系統(tǒng)有8個(gè)常規(guī)的轉(zhuǎn)發(fā)器，每個(gè)都用高功率行波管放大器作為它的發(fā)射機(jī)82(見圖6)。CONUS接收天線利用垂直極化，與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳送系統(tǒng)共用一個(gè)垂直極化反射器12b。CONUS的接收信號(hào)通過頻率選擇半屏18b，聚焦于接收饋源喇叭14上，它安裝在反射器12b的聚焦平面28上。這樣形成的天線幅射(方向)圖剛好覆蓋整個(gè)美國(guó)大陸。CONUS發(fā)射天線利用水平極化，與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接收系統(tǒng)共用反射器12a。從發(fā)射饋源24幅射來的信號(hào)由水平極化頻率選擇屏18a反射到12a上。這樣反射后的二次幅射圖剛好覆蓋整個(gè)美國(guó)大陸。
點(diǎn)到點(diǎn)子系統(tǒng)包含一個(gè)發(fā)送陣列20，一個(gè)子反射器22和接收饋送喇叭16。發(fā)送陣列20(以后將詳細(xì)討論)安裝在支架30上，恰好位于反射屏18的下面。子反射器22安裝在反射陣列20的前方，較反射屏18略低一點(diǎn)，發(fā)送陣列20發(fā)出的信號(hào)由子反射器22反射至半個(gè)反射屏18b上。子反射器22和主反射器12配合，有效地加強(qiáng)并放大了來自發(fā)送陣列20的信號(hào)幅射圖。同樣，從子反射器22來的信號(hào)，被半個(gè)反射屏18b反射到大反射器12b上，12b將點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)信號(hào)再反射到地球上。通過這種方法可得到大孔徑相控陣列的性能。接收饋送喇叭16安裝在反射器12a的聚焦極26上，它由四個(gè)主喇叭50、54、58、62和三個(gè)輔助喇叭52、56、60構(gòu)成，如圖16所示。
參考圖13～15，發(fā)送陣列20由許多(例如40個(gè))發(fā)射波導(dǎo)元件106，依次排列構(gòu)成，如圖13所示。每個(gè)發(fā)射波導(dǎo)元件106由許多諸如26的垂直隔開的水平的狹縫108構(gòu)成。這樣即可產(chǎn)生垂直極化信號(hào)。如圖14所示，發(fā)送陣列20的饋入信號(hào)由共饋網(wǎng)絡(luò)(一般用數(shù)字110表示)提供。此網(wǎng)絡(luò)在四個(gè)標(biāo)號(hào)為114的地方激發(fā)陣列元件。共饋網(wǎng)絡(luò)110的用處是提供一個(gè)寬頻帶與發(fā)送波導(dǎo)元件106相匹配。信號(hào)輸入到波導(dǎo)管，打開112，激發(fā)陣列狹縫108，由此，狹縫激發(fā)用以在南北方向上產(chǎn)生一個(gè)平展的幅射圖。
請(qǐng)看圖5，它描述了一個(gè)普通的由水平極化點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接收系統(tǒng)提供的矩形波束的覆蓋情形。在這個(gè)具體例子中，用點(diǎn)到點(diǎn)接收系統(tǒng)服務(wù)的地區(qū)是美國(guó)大陸。點(diǎn)到點(diǎn)接收系統(tǒng)由4個(gè)波束R1、R2、R3和R4組成，它們相應(yīng)地將來自上行鏈路地區(qū)32、34、36、38的信號(hào)發(fā)送到衛(wèi)星上。R1-R4中的每一波束都含有多個(gè)來自每個(gè)地區(qū)32、34、36、38中各個(gè)別地面站的各上行鏈路波束，并由該站載入一個(gè)個(gè)別信號(hào)，來自不同地面站上行鏈路信號(hào)被置于每一地區(qū)多個(gè)信道之內(nèi)。例如，地區(qū)32包含多個(gè)諸如16個(gè)27MHZ的信道，每一信道載有來自地區(qū)32中相應(yīng)上行地面站的上百的個(gè)別波束信號(hào)。
四個(gè)波束幅射方向圖的信號(hào)等場(chǎng)強(qiáng)度，分別用數(shù)字32、34、36和38表示，其信號(hào)強(qiáng)度大約比它們相應(yīng)的波束峰值低3分貝。天線波束設(shè)計(jì)得能夠充分隔離，能在39、41、43和45斜線地區(qū)復(fù)用頻譜四次。在小黑點(diǎn)區(qū)域40、42和44，相鄰區(qū)域產(chǎn)生的同頻信號(hào)無法有效地隔離。在這些區(qū)域產(chǎn)生的每個(gè)信號(hào)包含兩種下行鏈路信號(hào)，一個(gè)是期望的，另一個(gè)是附加的。在這些區(qū)域產(chǎn)生的附加信號(hào)以后將會(huì)詳細(xì)討論。
從圖5上可明顯看出，被波束32、34、36和38覆蓋的地區(qū)其寬度不等。被波束32覆蓋的東海岸沿伸約1.2徑度;被波束34覆蓋的中部地區(qū)約1.2度;由波束36覆蓋的中西部及波束38覆蓋的西海岸約沿伸2度。四個(gè)接收地區(qū)32、34、36和38的寬度由地面站數(shù)目，也即不同地區(qū)的人口密度來確定。因此波束幅射方向圖案32相對(duì)窄些，用以容納美國(guó)東部地區(qū)較高的人口密度，而波束36相對(duì)寬些，這是因?yàn)樯絽^(qū)各州的人口密度比較低。由于每一地區(qū)使用整個(gè)頻譜，因而波束區(qū)域?qū)挾仍谌丝诿芏却蟮牡貐^(qū)較窄，以滿足使用信道較多的要求。
如圖9所示，點(diǎn)到點(diǎn)發(fā)射系統(tǒng)由T1、T2、T3和T4四個(gè)波束構(gòu)成，相應(yīng)地覆蓋31、33、35、37四個(gè)發(fā)射地區(qū)。T1-T4的每個(gè)波束中具有多個(gè)各自的下行鏈路波束，指定給31、33、35和37地區(qū)中的各個(gè)下行鏈路地面站，向這些地面站傳送各自的信號(hào)。下行鏈路波束信號(hào)由指定的下行鏈路地面站接收，并送入每個(gè)地區(qū)的許多信道中。例如，地區(qū)31可能含有16個(gè)27MHZ的信道，每一信道將上百個(gè)不同的波束信號(hào)傳送給地區(qū)32中相應(yīng)的下行地面站。
多個(gè)下行鏈路及不同寬度下行鏈路的使用有利于產(chǎn)生后面將要敘述的由固態(tài)功率放大器產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物，這些互調(diào)產(chǎn)物按地理分布在不同的區(qū)域，這種分布能防止多數(shù)互調(diào)產(chǎn)物被地面站接收。其基本的作用是因?yàn)橄到y(tǒng)能容納較多的互調(diào)產(chǎn)物，可使放大器更有效地使用。盡管發(fā)射區(qū)域31、33、35和37的寬度幾乎和接收區(qū)域R1、R2、R3和R4的相同，在兩套系統(tǒng)中，仍有微小的差別，用以最大限度地增加系統(tǒng)的容量。
各個(gè)發(fā)射波束29的半功率點(diǎn)波束寬度較發(fā)射地區(qū)31、33、35和37的地區(qū)寬度要窄。這導(dǎo)致得到所需的高增益，并避免了40、42、44接收區(qū)域分布上特有的區(qū)域爭(zhēng)用。各個(gè)波束29必須在地區(qū)內(nèi)予以調(diào)整，以便在各個(gè)目標(biāo)地面站方向上獲得最大的下行鏈路全向同性有效輻射功率。點(diǎn)到點(diǎn)可尋址窄波發(fā)射由陣列20產(chǎn)生，其量值被兩個(gè)共焦點(diǎn)拋物面反射器增強(qiáng)，反射器由主反射器12b和子反射器22組成。每個(gè)波束29的東西方向由沿著發(fā)射陣列20的106元件上的信號(hào)的相位進(jìn)行來決定(見圖13及圖15)。相位進(jìn)行由后面要講的波束成形網(wǎng)絡(luò)98確定，它是信號(hào)頻率的函數(shù)。每一發(fā)射陣列單元20由后面要講的固態(tài)功率放大器驅(qū)動(dòng)。傳送到陣列元件106上的功率并不是均勻的，而是錐形，邊界上的元件接收到的功率要低10分貝。波束29的錐形是按照發(fā)射陣列單元20的位置通過調(diào)整發(fā)射增益而獲得，如圖9A所示。激發(fā)幅射圖決定了發(fā)送二次輻射圖形的特性。參考圖9，發(fā)射區(qū)域31、33、35和37間最小的間距發(fā)生在31和33地區(qū)之間，大約有1.2度。這意味著用特定頻率對(duì)地區(qū)33的尋址信號(hào)會(huì)干擾和用同樣頻率對(duì)地區(qū)31的尋址信號(hào)，因?yàn)槠洳ㄊ行牡脚园晗嗖?.2度寬。然而，調(diào)整各個(gè)發(fā)射增益，可以獲得較低的旁瓣，因而允許相鄰地區(qū)頻率復(fù)用。參考圖9A，這時(shí)的旁瓣要低波束中心30分貝，因此，這樣的干擾就可以忽略。運(yùn)用相同頻率的地區(qū)35及37的天線角度離得更遠(yuǎn)，因此這兩個(gè)區(qū)域的旁瓣干擾就更小。
圖9B是南北向發(fā)射波束幅射圖的說明。每一發(fā)射波導(dǎo)管元件106中的26個(gè)狹縫108，被激發(fā)產(chǎn)生一個(gè)近似平展的南北幅射圖，從南北軸線向外擴(kuò)大到加減1.4度的范圍。
點(diǎn)到點(diǎn)及CONUS系統(tǒng)都可利用同樣的上行鏈路及下行鏈路頻帶，只是點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)對(duì)上行鏈路范化用水平極化，而CONUS系統(tǒng)用垂直極化，如前面所述。例如，兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)在14～14.5GHZ間使用整個(gè)500MHZ上行鏈路頻帶，同樣在11.7～12.2GHZ間使用整個(gè)500MHZ下行鏈路頻帶。在以點(diǎn)到點(diǎn)服務(wù)時(shí)，32、34、36、38的每一接收地區(qū)和31、33、35、37的每一發(fā)射地區(qū)都利用整個(gè)頻譜(如500MHZ)。更進(jìn)一步說，將這整個(gè)頻譜劃分為許多信道，如16個(gè)信道，每個(gè)信道有27MHZ的可用帶寬和30MHZ的間隔。同樣，16個(gè)信道中的每一個(gè)都可容納800個(gè)子信道。因此，在任何給定時(shí)刻對(duì)每一地區(qū)，大約可容納12500個(gè)(16信道×800子信道)32千比特/秒的信道。下面將要講到，點(diǎn)到點(diǎn)通信技術(shù)可使任一地面站同另一個(gè)地面站直接聯(lián)接。這樣，以單一極化在全國(guó)范圍內(nèi)可容納共50000個(gè)子信道。
參考圖1、2、6、7和16，點(diǎn)到點(diǎn)接收饋送陣列16用了七個(gè)接收喇叭50-62。喇叭50、54、58和62分別從32、34、36和38地區(qū)接收信號(hào)。喇叭52、56和60接收來自爭(zhēng)用地區(qū)40、42和44的信號(hào)。用一系列的混合耦合器或功率分配器C1-C9，由喇叭50-62所接收的信號(hào)接入四個(gè)輸出端64-70。例如來自干擾地區(qū)44的信號(hào)被喇叭的接收，由耦合器C2分離，分到的部分信號(hào)分別送入耦合器C1和C4，在C1和C4中，分離信號(hào)分別與喇叭58、62接收到的信號(hào)相混合。同樣，來自地區(qū)42由喇叭56的接收信號(hào)，由耦合器C5分離。一部分分離信號(hào)由耦合器C3將其與耦合器C4的輸出信號(hào)混合，同時(shí)剩下的部分分離信號(hào)由耦合器C7同喇叭54接收的信號(hào)相混合。
請(qǐng)看圖6所示的示意，它用方塊圖的形式描述了CONUS及點(diǎn)到點(diǎn)兩系統(tǒng)接收和發(fā)射信號(hào)的電子設(shè)備，點(diǎn)到點(diǎn)接收信號(hào)64-70(見圖7)來自點(diǎn)到點(diǎn)接收饋送網(wǎng)絡(luò)(圖7)。CONUS接收信號(hào)72來自CONUS接收饋送喇叭14(見圖1和3)。點(diǎn)到點(diǎn)及CONUS兩者的接收信號(hào)都被輸入一開關(guān)網(wǎng)絡(luò)76，它能有選擇地將輸入線64～72與五個(gè)相應(yīng)的接收機(jī)相接，74通常指8個(gè)接收機(jī)。接收機(jī)74是按常規(guī)方法設(shè)計(jì)的，其中三個(gè)是備用的，除非發(fā)生故障，一般不予使用。出現(xiàn)故障時(shí)，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)重新使輸入線64-72與一后備接收機(jī)74聯(lián)接。接收機(jī)74用來驅(qū)動(dòng)濾波器互聯(lián)矩陣90中的濾波器。與64-70連線相接的接收機(jī)74的輸出由第二個(gè)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)78通過4條接收線路R1-R4與濾波互聯(lián)矩陣90相聯(lián)。在后面將討論到，濾波互聯(lián)矩陣(FIM)連接收區(qū)域32、34、36、38和發(fā)射區(qū)域31、33、35、37之間提供了互聯(lián)。當(dāng)運(yùn)用上述的分成16個(gè)27MHZ信道的500MHZ頻譜時(shí)，需要四組由16個(gè)濾波器來分離信道。每組16個(gè)濾波器利用整個(gè)500MHZ頻譜每個(gè)濾波器的帶寬為27MHZ。后面將會(huì)談到，濾波器的輸出T1-T4排成四組，每組指定給地區(qū)31、33、35和37中的一個(gè)來使用。
發(fā)射信號(hào)T1-T4通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)94分別與6個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器92中的四個(gè)相聯(lián)，還有兩個(gè)用于后備。當(dāng)一個(gè)放大器92出現(xiàn)故障時(shí)，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)94將會(huì)把一個(gè)后備放大器92與相應(yīng)的發(fā)射信號(hào)T1-T4接通。一個(gè)相似的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)96把放大器92的放大輸出同波束成形網(wǎng)絡(luò)98聯(lián)接起來。后面將要詳細(xì)介紹的波束成形網(wǎng)絡(luò)98由許多傳輸延遲線構(gòu)成，沿四條延遲線在等間隔處相接。這些延遲線的間隔和寬度是可以選擇的，用以提供所需的中心波束偏斜(squint)和服務(wù)于對(duì)應(yīng)的發(fā)射地區(qū)31、33、35、37隨頻率而掃描的波束掃描速度。從四條延遲線耦合而來的發(fā)射信號(hào)在波束成形網(wǎng)絡(luò)98中相加(如圖11、12)，為固態(tài)功率放大器100提供輸入，固態(tài)功率放大器可嵌在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)射陣列20之中。在下面的實(shí)例介紹中，有40個(gè)固態(tài)功率放大器100(SSPAS)，每個(gè)SSPAS100放大40個(gè)信號(hào)中相應(yīng)的一個(gè)信號(hào)，此信號(hào)由波束成形網(wǎng)絡(luò)98成形。SSPAS100具有不同的功率容量以提供上面提到的錐形陣列激勵(lì)。SSPAS100的輸出與發(fā)射陣列20的一個(gè)單元上的輸入端112相聯(lián)。(圖14)。
CONUS在傳輸線72上的接收信號(hào)5開關(guān)網(wǎng)絡(luò)76、78相連的一個(gè)合適的接收機(jī)74和CONUS信號(hào)相連的接收機(jī)輸出信號(hào)送到多路轉(zhuǎn)換開關(guān)80的輸入端，此開關(guān)有8個(gè)信道。輸入多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的目的是將低電平的信號(hào)分成一些子信號(hào)，這樣使及子信號(hào)能夠在各自的基礎(chǔ)上得到放大。CONUS的接收信號(hào)被充分放大，因此CONUS發(fā)射信號(hào)可以分配給非常小的地面站。輸入多路轉(zhuǎn)換開關(guān)80的輸出通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)84與12個(gè)高功率行波管放大器82(TWTAS)中的8個(gè)相聯(lián)，另4個(gè)TWTAS82是備用的。8個(gè)TWTAS82的輸出由另一開關(guān)網(wǎng)絡(luò)86與輸出多路復(fù)用器86相連，此復(fù)用器將8個(gè)放大信號(hào)重新組合，以形成一個(gè)CONUS發(fā)射信號(hào)。多路復(fù)用器88的輸出通過波導(dǎo)管送入CONUS發(fā)射機(jī)24(圖2和圖3)的發(fā)射天線上。
圖10描述了FIM90(圖6)的細(xì)節(jié)。上面講過，F(xiàn)IM90能夠?qū)⒔邮諈^(qū)域32、34、36和38(圖5)中的任何地面站與發(fā)射地區(qū)31、33、35和37中的任何地面站有效地聯(lián)接起來。FIM90含有四個(gè)波導(dǎo)輸入端120、122、124和126，分別接收信號(hào)R1-R4。如上所述，接收信號(hào)R1-R4來自相應(yīng)的接收區(qū)域32、34、36和38(圖5)。每一信號(hào)包含整個(gè)給定頻譜(如500MHZ)，并且分成多個(gè)信道(如16個(gè)27MHZ信道)。信道再分為多個(gè)子信道，每一子信道傳送一個(gè)來自相應(yīng)的上行鏈路地面站的信號(hào)。FIM90擁有64個(gè)濾波器，其一用102表示。每個(gè)濾波器102都有一個(gè)對(duì)應(yīng)每個(gè)信道的通帶(如1403-1430MHZ)。濾波器102分為四群，分別用于接收地區(qū)32、34、36和38，每組分成兩級(jí)或稱子群，每個(gè)子群含有8個(gè)濾波器。濾波器102的一子群包含用于奇數(shù)信道的濾波器，另一子群則為偶數(shù)信道的8個(gè)濾波器。例如，接收信號(hào)R1的濾波器群由奇數(shù)信道的濾波器102子群104及偶數(shù)信道濾波器102的子群106組成。
下表表示了接收信號(hào)和地區(qū)與它們的濾波子群的關(guān)系接收區(qū) 接收信號(hào) 濾波器子群奇信道 偶信道32 R1 104 10634 R2 108 11036 R3 112 11438 R4 116 118將濾波器按特殊方法分組，使得當(dāng)接收信號(hào)R1-R4過濾后，合成輸出的信號(hào)以形成發(fā)射信號(hào)，發(fā)射信號(hào)T1-T4亦使用整個(gè)給定的頻譜(如500MHZ)。具體說來，每個(gè)發(fā)射信號(hào)T1-T4都擁有16個(gè)27MHZ帶寬的信道，還包含來自四個(gè)接收地區(qū)32-38(圖5所示)之一的四個(gè)信道。
輸入接收信號(hào)R1-R4由有關(guān)相聯(lián)的混合耦合器128-134分為相應(yīng)的子群，耦合器能有效地將50%的信號(hào)功率送入每個(gè)子群。例如輸入于波導(dǎo)管120中R1信號(hào)的一半被送入傳送線136，以供給濾波器102的106子群。同樣，102濾波器的每個(gè)104-118子群由相應(yīng)的分配線路提供，如同136和138線路一樣。
現(xiàn)在來更詳細(xì)地看一下子群104的結(jié)構(gòu)。顯然，其他的子群106-118與104子群的結(jié)構(gòu)是一樣的。沿發(fā)射線136有8個(gè)鐵氧體環(huán)行器140，每個(gè)都與奇數(shù)信道濾波器140相聯(lián)。環(huán)行器140用來將發(fā)射線136的信號(hào)無損耗地與每個(gè)奇數(shù)信道濾波器連接。這樣，例如R1信號(hào)進(jìn)入第一個(gè)環(huán)行器140a，并以反時(shí)針轉(zhuǎn)，同時(shí)，相應(yīng)于信道1的27MHZ帶寬的信號(hào)通過它后再進(jìn)入環(huán)行器142。所有其它頻率的信號(hào)都被反射。這樣反射信號(hào)經(jīng)環(huán)行器傳向下一個(gè)濾波器，這種過程重復(fù)地進(jìn)行。通過這一過程，R1接收信號(hào)通過16濾波器104-108對(duì)應(yīng)于R1信號(hào)的濾波器的濾波進(jìn)入16個(gè)信道。故具有1個(gè)信道頻率范圍的R1信號(hào)經(jīng)過第一個(gè)環(huán)行器140a，并由104群的濾波器1濾波。
濾波器子群104-118的輸出有選擇地以第二個(gè)鐵氧體環(huán)行器142耦合，并和以交叉方式與相鄰的102濾波群的輸出相加。如104群的信道濾波器1、5、9、13的輸出與112群的信道濾波器3、7、11、15的輸出相加。這個(gè)相加信號(hào)在輸出端以T1144表示。參看圖8，這些信號(hào)與接收區(qū)域R1、R3的連接有關(guān)，并與發(fā)射區(qū)域T1相關(guān)。
圖8和9顯示了發(fā)射及接收信號(hào)是如何通過FIM90連接的，由此允許任何地面站間的雙向通信。圖8的圖表明接收和發(fā)射區(qū)域由互聯(lián)信道連在一起的，而圖9表示了這些互聯(lián)信道在發(fā)射地區(qū)31、33、35、37的地理分布。圖8中，接收信號(hào)R1-R4按行來讀，發(fā)射信號(hào)T1-T4按列來讀。從圖8可以看出，T1-T4中每個(gè)發(fā)射信號(hào)由16個(gè)信道分成相應(yīng)的四個(gè)群，每群與R1-R4中的一個(gè)信號(hào)合在一起。所呈的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可望用于地面站的相連，這涉及到一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)控制中心，它能夠通過一組開關(guān)信號(hào)使地面站互相通信。網(wǎng)絡(luò)控制中心給上述鏈路用戶分配上行鏈路頻率，這個(gè)頻率基于所需的下行鏈路的位置，指定使用頻率以使其下行鏈路緯度與目的地面站的最為接近?？蓪ぶ废滦墟溌钒l(fā)射波束29的頻率也因此由上行鍵路信號(hào)的頻率來確定。這個(gè)方法可獲得最大的下行鏈路信號(hào)增益。
如圖9所示，將美國(guó)大陸分成四個(gè)基本地區(qū)，分別用31、33、35和37表示。31代表東海岸地區(qū)，33代表中部地區(qū)，35代表山部地區(qū)，37代表西海岸地區(qū)。如前所述，每個(gè)地區(qū)使用全部的給定頻譜(例如500MHZ)。因此，當(dāng)指定頻帶為500MHZ時(shí)，可有16個(gè)27MHZ的信道，加上31、33、35、37中每地區(qū)的保護(hù)頻帶。
圖9中波束29上方的數(shù)字1-16重復(fù)了四次，這些數(shù)字表示與信道中心頻率相一致的波束之徑度。由于波束頻率靈敏度的原因。要使信道中窄帶信號(hào)的最低與最高頻率之間的縱向間隔接近于信道寬度。每個(gè)波束的半功率點(diǎn)間的寬度為0.6度，大約為東海岸和中部地區(qū)寬度的一半，是山部地區(qū)和西部寬度的 1/3 。天線波束29互相重疊，以保證高的信號(hào)密度。所給地區(qū)的信道容量越大波束重疊越多。因此，在東海岸31地區(qū)，波束重疊大于山部地區(qū)35，這是因?yàn)闁|部地區(qū)的信號(hào)容量大于山部地區(qū)35。
現(xiàn)在，以兩個(gè)不同地區(qū)地面站間的典型通信來描述上述所說的互聯(lián)系統(tǒng)。在這個(gè)例子中，假設(shè)在密執(zhí)安州底特律的呼叫者想給加利福尼亞州洛杉磯位于西海岸地區(qū)37，為下行鏈路目的地。如圖9所示，位于美國(guó)大陸的每一地理位置和特定地區(qū)的特定信道相關(guān)連。因此，洛杉磯位于發(fā)射地區(qū)37的14和15信道之內(nèi)。
現(xiàn)在同時(shí)參看一下圖5圖8和圖9，尤其是以下接收和發(fā)送區(qū)R1和T1在東海岸地區(qū)31和32內(nèi)，R2和T2在中部地區(qū)34和33內(nèi)，R3和T3在山區(qū)36和35內(nèi)，及R4和T4在西海岸地區(qū)38和37內(nèi)。因?yàn)榈滋芈晌挥谥胁康貐^(qū)，或者說R2位于地區(qū)34，由此可見，信號(hào)只能通過信道1、5、9、13傳送到西部地區(qū)，或T4地區(qū)37的信道為1、5、9和13。這由圖8表中R2行與T4列的交叉來決定。因此，上行鍵路用戶將來自底特律的信號(hào)通過信道1、5、9或者13上行，這取決于這些信道的哪一個(gè)最接近于下行鏈路目的地。因?yàn)槁迳即壩挥谛诺?4和15之間，而信道13最接近于信道14，所以網(wǎng)絡(luò)控制中心將上行鍵路信號(hào)接于信道13上。洛杉磯的下行鏈路波束其寬度足以提供較高的增益。
反之，如果上行地面站位于洛杉磯，下行地面站位于底特律，則需要參考圖8表中R4行T2列的交叉處。它給出信號(hào)能夠通過的信道1、5、9或13，并由此選擇最接近下行鏈路目的地的信道。網(wǎng)絡(luò)控制中心將來自洛杉磯的信號(hào)上行鏈路接到信道9上，這是圖為信道9最接近于信道11，也最接近于底特律。
現(xiàn)在回到圖10，我們用上面所講的例子來描述如何將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成發(fā)送信號(hào)，其中上行地面站位于底特律，下行地面站位于洛杉磯，從底特律所發(fā)送的上行鏈路信號(hào)被發(fā)送到信道13上，此上行信號(hào)載有接收信號(hào)R2。從而，R2接收信號(hào)輸入到傳輸線122，輸入信號(hào)的一部分由混合耦合器130分配給濾波器組120的子群108的輸入線路。子群108包括用于奇數(shù)信道的一行8個(gè)濾波器，奇數(shù)信道包括信道13。于是，輸入信號(hào)經(jīng)過濾波器13濾波和來自子群108和116別的信號(hào)一起輸出到164線路上。在164線路上的信道13的信號(hào)由混合耦合器158與來自子組106和114的信號(hào)合成一起，在輸出線150上形成T4信號(hào)。此發(fā)送信號(hào)T4于是被下行鏈路接到洛杉磯。
應(yīng)理解上述例子是簡(jiǎn)化了的，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)控制中心可指定較27MHZ帶寬的信道更為專用的信道，這是因?yàn)?7MHZ帶寬的信道實(shí)際上可由許多較小的信道所構(gòu)成，如800個(gè)32KHZ帶寬的子信道。
現(xiàn)在再參看一下圖5、8和9，當(dāng)上行鏈路信號(hào)來自40、42、44(見圖5所示)的任一爭(zhēng)用地區(qū)時(shí)，這種信號(hào)不僅被發(fā)送到所希望的下行鏈路目的地，而且也將一個(gè)不同忽略的信號(hào)發(fā)送到另一個(gè)地理區(qū)域，例如，假定上行鏈路信號(hào)來自爭(zhēng)用地區(qū)42的伊利諾斯州芝加哥，此信號(hào)亦發(fā)送到加利福尼亞州的洛杉磯，地區(qū)34和36的波束的成形疊加產(chǎn)生了爭(zhēng)用區(qū)域42。因此，上行鏈路信號(hào)可作為接收信號(hào)R2或R3而發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)控制中心決定是否將接收信號(hào)R2和R3加載到上行鏈路的通信中去，在上述例子中，由于芝加哥離地區(qū)36較近，因此是將接收信號(hào)R3加載到上行鏈路通信中去。
如前所述，下行鏈路的目的地洛杉磯位于地區(qū)31，在信道14和15之間。如圖8所示，R3行和T4列的交叉點(diǎn)給出了可進(jìn)行分路通信的可能信道。因此，芝加哥的上行鏈路信號(hào)將被發(fā)送到信道2、6、10或11上。因?yàn)槁迳即夒x信道14最近，所以網(wǎng)絡(luò)控制中心將選擇信道14作為上行鏈路信道。因而需要注意的是，來自地區(qū)34的所不希望的信號(hào)也被傳送到信道14上，為了確定不需要的信號(hào)下行到任何處，可以參考圖8所示的表格。圖8的表格表明，加載到R2地區(qū)34中信道14上的上行鏈路信號(hào)被下行到T1發(fā)送區(qū)31，所需的信號(hào)發(fā)送到洛杉磯，不要的信號(hào)(即附加信號(hào))發(fā)送到東部海岸(即地區(qū)31)。網(wǎng)絡(luò)控制中心在進(jìn)行頻率分配時(shí)保持跟蹤這些附加信號(hào)。由于這些附加信號(hào)的影響，使系統(tǒng)的容量略為減少。
現(xiàn)在再參看圖6，波束成形網(wǎng)絡(luò)98接收發(fā)送信號(hào)T1-T4，并將這些發(fā)射信號(hào)中的所有單個(gè)通信信號(hào)耦合在一起，以形成每個(gè)信號(hào)的發(fā)射天線波束。在上面所討論的例子中指定的頻譜為500MHZ，當(dāng)系統(tǒng)完全載以窄波信號(hào)時(shí)，波束成形網(wǎng)絡(luò)98將形成總數(shù)為50，000個(gè)疊加的天線波束，這樣形成的每一個(gè)天線波束能夠指出在一個(gè)使系統(tǒng)性能最佳的方向。相鄰單元間的增量相移決定在天線波束的方向，因?yàn)橄嘁朴尚盘?hào)頻率所決定的，所以系統(tǒng)可用來進(jìn)行頻率尋址。
現(xiàn)在我們將注意力集中到圖11和12，它詳細(xì)描述了波束成形網(wǎng)絡(luò)98。在圖11中，波束成形網(wǎng)絡(luò)常用數(shù)字98表示，它被做或通常的弧形并可按裝在衛(wèi)星的通信架上(未標(biāo)出)。假設(shè)通過信號(hào)的傳通距離是正確，那么弧形形狀的波束成形網(wǎng)絡(luò)98很容易排列。
波束成形網(wǎng)絡(luò)98包括兩組延時(shí)線，第一組為環(huán)形伸展的發(fā)射延時(shí)線168、170，第二組為發(fā)射延時(shí)線172、174，它們和延時(shí)線168、170在徑向隔開，另外波束成形網(wǎng)絡(luò)還包括許多徑向伸展的波導(dǎo)裝置176。具體地講，提供了40個(gè)波導(dǎo)裝置176，每個(gè)用作發(fā)射陣列20(如圖13所示)的一個(gè)單元106。波導(dǎo)裝置168-174的每一個(gè)延時(shí)線交接并按角度等分。
每個(gè)波導(dǎo)裝置176確定了徑向線的大梁并與每個(gè)168-174延遲線相交。如圖12所示，在徑向線大梁176和發(fā)射延遲線168-174的交點(diǎn)上，提供了一個(gè)十字形波導(dǎo)耦合器180，此耦合器180將延遲線168-174和徑向線大梁相連接。十字形波導(dǎo)耦合器的作用將在以后討論。
四根延時(shí)線168-174分別提供給四個(gè)發(fā)射地區(qū)的T1-T4(圖9所示)。這里，發(fā)射信號(hào)T1加于延時(shí)線170的輸入端，T2加于延時(shí)線168的輸入端，T3加于延時(shí)線174的輸入端，T4加于延時(shí)線172的輸入端。正如圖12所示，字母“L”指明徑向大梁間的距離。字母“W”標(biāo)示每個(gè)徑向延時(shí)線的寬度。盡管徑向大梁在延時(shí)線方向上按角度等分相隔，由于延時(shí)線168-174是徑向分隔的，所以它們之間從延時(shí)線到延時(shí)線的距離也各不相同。因此，由徑線大梁176形成的弧度離中心越長(zhǎng)，徑向線大梁176間在它們與延時(shí)線168-174交點(diǎn)處的距離就越大。換句話說，在徑向線大梁176之間，延遲線168的間距“L”是小于鄰近徑向線大梁176之間延遲線174的間距。“L”和“W”的典型數(shù)值如下所示
延時(shí)線 信號(hào) L英吋 W英吋168 T2 1.66 0.64170 T1 1.72 0.66172 T4 2.45 0.74174 T3 2.55 0.76選擇延遲線168-174的寬度“W”以及相鄰兩徑向徑大梁間的長(zhǎng)度“L”以產(chǎn)生所需的中心波束的偏斜角(center beam squint)及波束掃描速率，因此校正了每個(gè)信道的波束指向。這樣每一發(fā)射區(qū)域的T1-T4可得到所希望的開始及終止點(diǎn)。
見圖12，發(fā)射信號(hào)T2由于準(zhǔn)確的距離傳入延遲線168，并在此點(diǎn)進(jìn)入第一徑向線大梁176。部分T2信號(hào)經(jīng)過十字形波導(dǎo)耦合器180(例為為一個(gè)20分貝的耦合器)，這樣，發(fā)射信號(hào)T2的1%功率被送入徑向線傳輸線176。這部分能量又經(jīng)波導(dǎo)管176進(jìn)入相應(yīng)的固態(tài)功率放大器100(見圖6及11)。傳入延遲線170的信號(hào)T1也進(jìn)行上述的同樣過程。由十字形波導(dǎo)耦合器180轉(zhuǎn)送的部分T1、T2信號(hào)(如0.01的T1信號(hào)和0.01的T2信號(hào))在徑向線大梁中相加，組合信號(hào)0.01(T1+T2)以徑向向外傳入下一組延遲線172、174。對(duì)于信號(hào)T3及T4分別在延遲線174及172上重復(fù)了上述的相同耦合過程。也就是通過十字形波導(dǎo)耦合器180的0.01的T3及T4信號(hào)耦合傳入徑向線大梁176，得到組合信號(hào)0.01(T1+T2)+T3+T4)以徑向向外傳入一個(gè)相聯(lián)的固態(tài)功率放大器100，并在其中放大以供發(fā)射。
經(jīng)過第一個(gè)徑向線大梁176后，剩下的0.99的T1-T4信號(hào)進(jìn)入第二個(gè)徑向線大梁，又將另外1%的信號(hào)送入大梁176。每經(jīng)過一個(gè)徑向線大梁，都將1%的信號(hào)送入其中。
經(jīng)由徑向線大梁176送入SSPAS100的信號(hào)，是所有四種點(diǎn)到點(diǎn)發(fā)射信號(hào)T1-T4的混合信號(hào)。然而，發(fā)射信號(hào)T1-T4都是由12，500個(gè)子信號(hào)組成的。因此，在上面的詳細(xì)說明中(指定的頻譜寬500MHZ)，40個(gè)經(jīng)由徑向線大梁176的信號(hào)是50，000個(gè)信號(hào)的混合信號(hào)。因此，每個(gè)SSPAS100放大來自眾多波導(dǎo)裝置176的所有50，000個(gè)信號(hào)。
由于每個(gè)SSPAS100放大所有50，000個(gè)來自所有地區(qū)的指定信號(hào)，因此可以看出，所有的窄帶高增益下行波束都是由共同匯集發(fā)射機(jī)形成的，即所有的SSPAS100形成的。因?yàn)槭褂盟械腟SPAS可使下行鏈路波束覆蓋整個(gè)國(guó)土，所以此方法被認(rèn)為能有效地提供全國(guó)范圍的功率匯集區(qū)。這樣，就可在減弱其他波束功率的前提下，將功率匯集區(qū)的部分功率以適應(yīng)特殊情況，處于別地區(qū)不利條件下的下行鏈路用戶。例如，由于下雨而減弱了下進(jìn)鏈路地面站的波束信號(hào)的強(qiáng)度使下行用戶處于不利條件下。這種因雨受損害的用戶可通過增加相應(yīng)上鏈路波束的信號(hào)強(qiáng)度來彌補(bǔ)。即是通過從全國(guó)性發(fā)射功率網(wǎng)(pool of power)中輸送一部分功率給處于不利條件下的下行鏈路用戶來完成(例如，從所有SSPAS100中提供一部分功率)。每一行上鏈路波束的功率都相應(yīng)的下行鏈路波束的功率成比例。所以，為了增加下行鏈路波束的功率，只需增加上行鏈路波束的功率即可。
實(shí)際上，上述的網(wǎng)絡(luò)控制中心保持跟蹤所有的降雨區(qū)域，并確定區(qū)哪些上行鏈路用戶要與降雨的下行鏈路用戶通信。于是網(wǎng)絡(luò)控制中心利用開關(guān)信號(hào)陣指令每個(gè)上行鏈路用戶，增加發(fā)向雨區(qū)的上行鏈路信號(hào)功率。上行鏈路信號(hào)功率的增強(qiáng)，使SSPAS100對(duì)這些信號(hào)增加集合放大，以產(chǎn)生針對(duì)雨區(qū)的相應(yīng)下行波束，增加的功率電平有效地補(bǔ)償了束雨的影響。一般而言，給定降雨地區(qū)的信號(hào)數(shù)目與用SSPAS100總功率操作的信號(hào)總數(shù)關(guān)系不大。因此，其它非降區(qū)地區(qū)下行鏈路用戶的信號(hào)不會(huì)減弱，因?yàn)橐稽c(diǎn)微小的減弱被分配于成千上萬個(gè)用戶的身上。
SSPAS100(圖8和11所示，例如可裝在衛(wèi)星通信架上(未標(biāo)出)。由SSPAS100放大的信號(hào)送到發(fā)射陣列20的相應(yīng)元件106上。
如上所述，可得到40個(gè)徑向線大梁176耦合的信號(hào)之間的增量相移。因此，波束成形網(wǎng)絡(luò)98允許從發(fā)射陣列20(圖12、13)發(fā)出的天線波束用頻率的給定來控制。增量相移與在波導(dǎo)管176間的時(shí)間延遲有關(guān)，同樣也與頻率有關(guān)。參看圖17，這是40個(gè)發(fā)射陣列元件106中的四個(gè)的簡(jiǎn)圖，說明波陣面從那里發(fā)出的。其中“d”為發(fā)射陣列元件106間的距離。所得天線波束有一傾角θ，此θ定義為波束掃描角。這就是說，θ是離標(biāo)準(zhǔn)波束發(fā)射中心的角度。由延遲線產(chǎn)生的增量相移為△φ。θ與△φ的關(guān)系如下△φ＝ (2πd)/(λ) sinθ其中λ＝單個(gè)波長(zhǎng)θ＝波束掃描角d＝陣列元件間距這樣，天線波束的東西方向由增量相移來確定，增量相移對(duì)于波束成形網(wǎng)絡(luò)98的四個(gè)延遲線168-174是不同的。因而得到上面所述的四個(gè)發(fā)射地區(qū)T1-T4。
通過對(duì)該項(xiàng)發(fā)明的介紹，可以認(rèn)為，對(duì)于熟練于此技術(shù)的人來講，在不背離該項(xiàng)發(fā)明的精神和超出其涉及的技術(shù)范圍的前提下，可以對(duì)該發(fā)明描述的細(xì)節(jié)作各種補(bǔ)充和修改。因而可以理解。我們所尋求的專利保持將涉及所述主體部分的權(quán)利要求
以及本發(fā)明范圍內(nèi)的一切等價(jià)之處。
權(quán)利要求
1.一種利用地球軌道通信衛(wèi)星互連地面上一個(gè)區(qū)域內(nèi)多個(gè)地面站進(jìn)行雙向通信的方法，包括(A)從覆蓋上述區(qū)域中多個(gè)區(qū)域的每個(gè)地面站向上述衛(wèi)星發(fā)送射頻上行波束，每個(gè)上述區(qū)域的上行波束都載有位于相同第一頻段的多個(gè)通訊信號(hào)，這樣，上述的第一頻段為每個(gè)上述區(qū)域的上行鏈路波束所復(fù)用；(B)在上述衛(wèi)星上接收上述的上行鏈路波束；(C)從上述衛(wèi)星把多個(gè)射頻下行波束分別發(fā)射到位于上述區(qū)域的地區(qū)，在每個(gè)上述區(qū)域接收到下行波束含有位于相同第二頻段可為每個(gè)上述區(qū)域中接收到的下行波束所復(fù)用。
2.如權(quán)利要求
1的方法，其中上述的第一和第二頻段的每個(gè)內(nèi)均安排了許多信道，每個(gè)上行信道包括分別來自各相應(yīng)區(qū)域的上行地面站的許多信號(hào)，每個(gè)下行鏈路信道也包括分別指定給相應(yīng)區(qū)域的各下行地面站的多個(gè)信號(hào)，上述方法包包預(yù)選上述信道中的某一信道，此信道載有上行波束的信號(hào)，它和步驟(A)發(fā)射信號(hào)區(qū)域的地點(diǎn)一致，而下行波束的信號(hào)則和按步驟(C)發(fā)射信號(hào)區(qū)域的地點(diǎn)相一致。
3.如權(quán)利要求
2的方法，包括把每個(gè)信道與每個(gè)區(qū)域中的地理位置聯(lián)系起來;根據(jù)準(zhǔn)備接收上述信號(hào)的地面站地理位置從經(jīng)預(yù)選的信道中選出一個(gè)信道用來傳送在上行波束和下行波束中一個(gè)上述的信號(hào)。
4.如權(quán)利要求
1的方法，包括形成上行波束這一步驟，這樣，相鄰個(gè)個(gè)區(qū)域是緊接著的。
5.一種利用一顆地球軌道通訊衛(wèi)星互連地面上一個(gè)地區(qū)內(nèi)的多個(gè)地面站的通訊方法，包括(A)在衛(wèi)星和地面上覆蓋上述區(qū)域中各個(gè)眾多分別相關(guān)的地區(qū)之間形成多個(gè)上行射頻波束，每個(gè)地區(qū)由多個(gè)上述上行鏈路波束所覆蓋，此上行波束覆蓋著每個(gè)上述區(qū)域，包括多個(gè)信號(hào)來自位于相應(yīng)區(qū)域的上行地面站，從某一上述區(qū)域中的上行地面站發(fā)出的信號(hào)中，至少一個(gè)要被位于上述某一區(qū)域之外的地區(qū)中的下行地面站所接收，每個(gè)上述地區(qū)的上行波束中的信號(hào)載于第一預(yù)選頻段中，因此所有區(qū)域的上行波束都具有相同的頻段;(B)在上述衛(wèi)星上接收上述每個(gè)上行波束;(C)在上述衛(wèi)星和每個(gè)上述區(qū)域之間分別形成多個(gè)射頻下行波束，每組上述下行波束覆蓋著上述區(qū)域中相應(yīng)的一個(gè)地區(qū)，且包括來自上述上行地面站的多個(gè)信號(hào)，并且指定給上述相應(yīng)區(qū)域中的下行地面站，在某些上述的下行波束中，至少有某些信號(hào)來自位于上述別的區(qū)域，覆蓋住每個(gè)區(qū)域的下行波束中的傳送在第二預(yù)選頻段，即覆蓋著所有區(qū)域的下行波束具有相同的頻段;(D)把上述上行波束中的上述某些信號(hào)轉(zhuǎn)換成含的待接收上述某些信號(hào)的下行地面站的對(duì)應(yīng)區(qū)域的下行波束。
6.權(quán)利要求
5的方法，其中，步驟(A)包括在上述第一預(yù)選頻段內(nèi)形成多個(gè)頻率信道這個(gè)步驟;步驟(C)包括在上述第二預(yù)選頻段內(nèi)形成多個(gè)頻率信道這一步驟;步驟(D)包括把下行終端站根據(jù)一個(gè)預(yù)定的圖形和上述第一及第二頻段內(nèi)的信道聯(lián)系起來，且根據(jù)上述預(yù)定圖形選擇一定信道傳送上述的某些信號(hào)這一步驟。
7.一種互連覆蓋地面上一個(gè)地區(qū)的多個(gè)地面站用以進(jìn)行雙向通信的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，包括一顆設(shè)置在地球上空同步軌道上的衛(wèi)星;在上述衛(wèi)星和覆蓋上述區(qū)域許多分別聯(lián)系的一個(gè)區(qū)域之間形成多個(gè)上行射頻波束的第一裝置，上述多個(gè)上行波束中的每束載有從相應(yīng)區(qū)域的上行地面站發(fā)出、并指定為上述區(qū)域中的一個(gè)下行地面站接收的多個(gè)信號(hào)，每個(gè)區(qū)域的上行波束載有第一預(yù)定頻段上述信號(hào)，因此可使載有上述信號(hào)的所有上行波束使用同樣的頻段在上述衛(wèi)星和上述區(qū)域之間形成多個(gè)下行射頻波束的第二裝置，每組上述下行波束都載有一個(gè)指定為一個(gè)上述區(qū)域中的下行接收站接收的信號(hào)。
8.權(quán)利要求
7的系統(tǒng)，其中每組上述的下行波束覆蓋一個(gè)上述的區(qū)域，每組載有多個(gè)在第二預(yù)定頻段內(nèi)的上述信號(hào)，因此使載有上述信號(hào)的所有下行波束組可利用相同的頻段。
9.權(quán)利要求
7的系統(tǒng)，其中由上述上行波束傳送的信號(hào)是頻分復(fù)用信號(hào)。
10.權(quán)利要求
9的系統(tǒng)，其中每一預(yù)置頻段包括一組信道，和上行波束包括完全相同的上述信道各組。
11.權(quán)利要求
7的系統(tǒng)，其中每個(gè)上述的區(qū)域一般為矩形的。
12.權(quán)利要求
7的系統(tǒng)，其中每個(gè)上述的上行波束具有的旁瓣其信號(hào)強(qiáng)度上足夠小，可避免在上述區(qū)域的大部分地區(qū)內(nèi)的鄰近地帶間相鄰上行波束的信號(hào)間實(shí)質(zhì)性干擾。
13.如權(quán)利要求
7的系統(tǒng)，其中每個(gè)上述的下行波束具有的旁瓣其信號(hào)強(qiáng)度上足夠小，可避免在上述區(qū)域的大部分地區(qū)內(nèi)的相鄰地帶內(nèi)的相鄰下行波束的信號(hào)間實(shí)質(zhì)干擾。
14.權(quán)利要求
7的系統(tǒng)，其中上述的區(qū)域是相互連接的。
15.權(quán)利要求
7的系統(tǒng)，包括把上述上行波束中的信號(hào)轉(zhuǎn)換成上述下行波束中的信號(hào)的裝置，上述轉(zhuǎn)換裝置包括具有多個(gè)輸入端(每個(gè)輸入端分別接收一個(gè)上述上行波束的信號(hào))和多個(gè)輸出端在上述下行波束中發(fā)送信號(hào)的互連裝置。
16.權(quán)利要求
15的系統(tǒng)，其中上述互連裝置包括一個(gè)連接在上述輸入端和上述輸出端之間的帶通濾波器矩陣，用以分別通過上述上行波束中的一些信號(hào)，這樣，與一個(gè)上述區(qū)域相聯(lián)系的上行波束中的信號(hào)就能被一個(gè)下行波束送到另一個(gè)區(qū)域之中。
17.權(quán)利要求
7的系統(tǒng)，其中所述的第二裝置包括分別用來傳遞每個(gè)上述上行波束中的信號(hào)的第一組線路，每條線路包括一個(gè)用來接收上述的上行波束信號(hào)中相應(yīng)的一個(gè)的輸入端;空間上隔開的第二組線路，這些線在上述第一組線路和第二組線路的交叉點(diǎn)上與上述第一種線相交，上述第二組線路中的每條在上下交叉點(diǎn)上和上述第一種線路中的每條相耦合;使上述第一組線路的每條攜帶的每個(gè)上行波束信號(hào)的部分能量被轉(zhuǎn)換到上述第二組線路的每條線路中，上述第二組線路的每條具有一個(gè)輸出端，把信號(hào)輸出給下行波束傳送;經(jīng)過預(yù)先選定的鄰近交叉點(diǎn)間的距離和上述第一種線路每條的寬度，能產(chǎn)生每個(gè)下行波束信號(hào)所需的相移，這樣，下行波束信號(hào)能被導(dǎo)向相應(yīng)區(qū)域中的各個(gè)有關(guān)位置。
18.權(quán)利要求
17的系統(tǒng)，其中上述的第二組線路從一個(gè)參考點(diǎn)基本上呈徑向延伸，這樣，使上述第二種線之間互相散開。
19.權(quán)利要求
18的裝置，其中上述的第一組線路相對(duì)于參考點(diǎn)延圓周方向延伸且相對(duì)于參考點(diǎn)徑向隔開，因此使相鄰交叉點(diǎn)間的距離隨交叉點(diǎn)和上述參考點(diǎn)間的徑向距離增加而增加。
20.權(quán)利要求
17的裝置，其中上述的第一組線路包括多個(gè)能傳遞電磁能量的傳輸線，上述的多個(gè)第二組線路包括多條電磁能波導(dǎo)。
21.權(quán)利要求
20的裝置，其中每根上述傳輸線通過電磁波十字形波導(dǎo)耦合器與每個(gè)上述的波導(dǎo)相耦合。
22.權(quán)利要求
17的裝置，其中上述的第一組線路中至少兩條是基本上互相鄰接的。
23.如權(quán)利要求
17的裝置，其中上述的第一組線路中至少兩根是互相隔開的。
24.權(quán)利要求
17的裝置，其中上述的區(qū)域在一個(gè)方向排成一行，在所述的這個(gè)方向上，上述區(qū)域的寬度可變，這樣可減少下行信號(hào)中互調(diào)失真的影響。
25.一種為進(jìn)行雙向通信互連覆蓋地面上的一個(gè)地區(qū)的多個(gè)地面站的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，包括一顆衛(wèi)星;在所述地區(qū)的多個(gè)區(qū)域的每個(gè)之間形成多個(gè)射頻上行波束的裝置，上述許多波束中的每一束均載有來自相應(yīng)區(qū)域中的上行地面站發(fā)出的多個(gè)可頻率尋址信號(hào)，上述的許多波束中的每一束載有同一頻帶內(nèi)的可頻率尋址信號(hào);安排成一群一群分別覆蓋上述區(qū)域的多個(gè)射頻可尋址下行波束的裝置，上述波束中每束均載有一個(gè)信號(hào)，從一個(gè)區(qū)域中的上行地面站發(fā)出的至少有一些信號(hào)通過下行波束傳送給別的地區(qū)指定要接收這些信號(hào)的下行地面站。
26.一種為進(jìn)行雙向通信互連覆蓋地球上的一個(gè)地區(qū)的多個(gè)地面站的衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，包括一顆位于地球上空同步軌道上的衛(wèi)星;在上述衛(wèi)星和覆蓋上述區(qū)域中各自聯(lián)系的多個(gè)區(qū)域的每個(gè)之間形成多個(gè)上行射頻波束的第一裝置，上述上行波束中的每束都載有來自一個(gè)相應(yīng)區(qū)域的上行地面站指定為一個(gè)上述區(qū)域中的下行地面站接收的多個(gè)信號(hào);和在上述衛(wèi)星和上述區(qū)域之間形成多瓣下行射頻波束的第二裝置，每群下行波束均載有指定為一個(gè)上述區(qū)域中的下行地面站接收的多個(gè)信號(hào)，每個(gè)區(qū)域的下行波束在第二預(yù)定頻段傳送上述信號(hào)，因此使用相同的頻段，通過下行鏈路波束傳送上述信號(hào)。
專利摘要
采用分離子系統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，用于在給定的頻帶內(nèi)的實(shí)現(xiàn)廣播和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙向通信。廣播和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的子系統(tǒng)采用具有公共反射器12的集成化衛(wèi)星天線系統(tǒng)。子系統(tǒng)通過對(duì)給定的頻帶在覆蓋所需服務(wù)的地面區(qū)域的多個(gè)鄰近地區(qū)32，34，36，38中重復(fù)使用，以得到增加通信的容量。這些區(qū)域中的小孔徑天線地面站由多個(gè)高增益下行鏈路扇形波束提供服務(wù)，通過頻率尋址的方法對(duì)這些波束在東西方面進(jìn)行控制。
文檔編號(hào)H04B7/204GK87105620SQ87105620
公開日1988年5月11日 申請(qǐng)日期1987年8月14日
發(fā)明者羅森·哈羅德·A 申請(qǐng)人:休斯航空公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan