地球站電路設備是地球站設備中射頻信號的傳送系統和接收系統。它包括天線設備、低噪聲放大器、高功率放大器以及上、下變頻器等。
基本介紹
- 中文名：地球站電路設備
- 外文名：subsystem equipment in earth station
- 套用學科：衛星通信
天線設備,低噪聲放大器,高功率放大器,上、下變頻器,
天線設備
地球站天線設備由主反射面、副反射面、饋源及跟蹤伺服系統組成。一般採用修正型卡塞格倫天線。這種天線的主反射面為拋物線旋轉面，副反射面為雙曲線旋轉面，兩面共焦點。這種天線具有高的增益，低的噪聲溫度，寬的頻帶特性和良好的輻射方向性圖。天線設備的機械結構應能夠承受惡劣氣候所造成的影響，能準確地跟蹤衛星。
欲提髙天線增益可採取加大天線口徑、提高天線效率和降低饋源系統損耗等方法。但加大天線口徑會大大增加地球站造價，因而選取天線口徑時，應全面權衡。
地球站天線應有很強的方向性。主射束寬度應儘量的窄。為了防止干擾其它系統工作，其輻射旁瓣功率應儘量地低，要求其第一旁瓣應低於主射束峰值14dB以上。
地球站天線應具有較低的噪聲溫度。天線噪聲溫度TA是決定G/T值大小的主要因素之一，TA主要與大氣衰減噪聲、地面噪聲（以上隨天線仰角減小而增大）和宇宙噪聲等有關，一般最小值約在21K（90°仰角）至47K（5°仰角）之間。
地球站天線應具有良好的跟蹤衛星能力。天線口徑越大，跟蹤精度就越高，因天線越大主射束寬度就越窄（見地球站跟蹤系統）。
低噪聲放大器
低噪聲放大器（LNA安裝在天線饋源後面，是一個高靈敏度、低噪聲溫度的具有一定增益的放大器。地球站G/T中的T是地球站接收系統的總噪聲溫度（以K計），如下式：
式中，TA為天線噪聲溫度，K；TUNA為低噪聲放大器的噪聲溫度，K；T1為後級的噪聲溫度，K；GLNA為低噪聲放大器的增益，dB；
為後級折算到低噪聲放大器輸入端的噪聲溫度。由上式可以看出，當GLNA足夠大時，後級的影響將十分小，這時T主要取決於TA及TUNA。如果選用較低的TUNA，則允許考慮採用稍小口徑的天線而能達到相同的G/r要求。這樣可以降低全站的造價。可見低噪聲放大器對地球站的性能影響是很大的G/T要求。
早期的低噪聲放大器採用致冷式參量放大器，其噪聲溫度可達到17K。致冷系統採用氮氣冷卻致冷，而將參量放大器置於20K以下的低溫環境中工作。這類系統龐雜，維護困難，成本也十分昂責，（已停止使用），80年代以來採用非致冷式的場效應管低噪聲放大器，其噪聲溫度可低到30K，可完全滿足地球站的要求。這种放大器具有體積小，價格低，維護簡單，對環境溫度要求低，壽命長等優點，已被所有地球站採用。
低噪聲放大器的增益通常為60dB，增益高可以減少後級噪聲對系統噪聲的影響。如果下變頻器的噪聲係數為10dB，折算到一個具有60dB增益的低噪聲放大器輸入端的噪聲溫度還不到0.003K，低噪聲放大器應具有足夠寬的工作頻帶。在C頻段工作的地球站其工作頻帶為3625/3700MHz到4200MHz，共575/500MHz的工作頻寬。
甚小天線地球站（VSAT）的小站使用低噪聲組合器（LNB）放在室外。
高功率放大器
高功率放大器（HPA）把已調製好的高頻信號放大到所需的發射功率，使每個發向衛星的載波信號具有一定的有效全向輻射功率（EIRP）值。高功率放大器必須具備：①高輸出功率，一般根據業務需求選用功率等級，可以從幾瓦、幾十瓦、幾百瓦到10千瓦之間選用。②寬頻帶。要求頻帶能覆蓋衛星的一個轉發器頻寬或衛星所有轉發器的全部頻寬。③高線性度。即具有同時放大多個載波的能力。④高的功率穩定度。增益起伏一般不應大於±0.25dB。⑤高可靠性，因高功率放大器具有高輸出功率，高電源電壓等特點，故而其可靠性為保證衛星通信高暢通率的重要因素。
地球站常用的HPA有兩類，一類是速調管放大器，一類是行波管放大器。速調管放大器以其價格較低，電源消耗較少，壽命長等優點常被用於信號載波比較少，每個載波功率比較大的場合。一般電視載波及大容量的調頻制載波都選用此類放大器，其缺點是每頻道的頻帶窄，僅40MHz，但同時可以預置12個頻道，並且可以自動地轉換頻道。行波管放大器具有寬的頻帶，可覆蓋整個衛星轉發器，頻寬達575MHz。故而多載波工作時宜採用此類放大器。為了減少因交通帶來的限制，常在行波管放大器前面加裝一個線性化設備，此設備可以使線性度改善7dB。行波管放大器的缺點是電源消耗大，價格昂貴。在地球站設備中，高功率放大器是故障率較高的設備，因而在每個站都配置了熱備用機。常採用1+1及2+1備用方式。有些全部採用速調管工作的站，為了多載頻同時工作，採用N+1的備用方式。N最大可達8。更多的站根據不同的業務類型採用了兩類放大器混合使用的方式，即數字式通信載波採用行波管放大器，而電視載頻採用速調管放大器。
在地球站的發射系統中由於多個放大器同時工作而帶來了不可避免的缺陷，這就是輸出功率合成問題。由於天線饋源口僅一個發射端，同時按上多個放大器勢必要先合成。一般均採用3dB或6dB合成器，也就是說每合成一次均要損失一半到3/4的功率。在設計這部分電路時一定要進行權衡，並留有足夠的發射功率。
如為VSAT小站，則使用固態放大器SSPA（見甚小天線地球站）。
上、下變頻器
現以C頻段的地球站為例來說明上、下變頻器的功用。把70MHz或140MHz中頻信號變換成6GHz的射頻信號的設備稱為上變頻器，把4GHz的衛星下行頻率變換成70MHz或140MHz中頻信號的設備稱為下變頻器。在變頻器里只變換頻率而保持信號的頻譜。
變頻器所具備的特性為：①頻率可變性。在衛星轉發器所覆蓋的500MHz頻寬範圍內應能任意變換工作頻率。②低的交調失真。為適應多載波在一個變頻器上工作，應有足夠好的交調指標。③頻率穩定度高。④小的寄生輸出。⑤低的相位噪聲。
由於載波在衛星轉發器上工作時有一定的頻率間隔，所以並不要求變頻器的頻率是連續可變的，故可把變頻器的頻率準確度及穩定度做得較高，一般用於數字載波工作的變頻器頻率穩定度為士1×10-V天。一般頻率變化的檔級為125kHz一檔。對數字載波而言，相位噪聲的指標是強制性指標。
地球站的傳送系統和接收系統都含有寬頻帶的放大、濾波、混頻等設備，故而要求在發端和收端必須各自均衡本系統所產生的時延和幅度特性。對由衛星轉發器所產生的群時延一般規定由發端均衡。這些均衡工作一般都在上、下變頻器的中頻部分進行。
為配合數據機輸入端的接口電平，一般在變頻器的中頻部分加有放大器及衰耗器，用以調整系統的電平。
