专利名称:使用频率复用的卫星通信系统的制作方法
本发明一般涉及卫星通信系统，特别是那种利用位于地球上空的同步轨道上的卫星在地面上的许多小孔径天线地面站间建立通信联络的那种卫星通信系统。更具体地说，本发明涉及一种具有能容纳双向通信和广播通信系统的混合通信能力的一种通信卫星。在小孔径天线地面站间的双向通讯是通过在地面上某个地区和邻近地区中多重复用一个给定的频谱来实现的。
在连接大量很小孔径天线地面站的国内通信卫星系统中，影响系统性能的最重要的两个参数是“各向同性有效辐射功率”(Effective Isotropic Raoliated Power)(EIRP)和可用带宽。EIRP是指考虑了天线增益以后的卫星发射机功率的度量。EIRP是实现与实际使用的发射机和天线相同的结果的发射机和各向同性天线的功率。
以往，人们都使用覆盖一个国家的数个地区或服务于地球上的其他区域的多个上行和下行链路波束来实现高到天线增益和多重频率复用，频分系统及时分系统已经得到使用或提出在很多地理上分开的地面站间互连大量信号。时分系统能使卫星上的发射机以较高的效率工作，这是因为发射机在一个时刻只需放大一个时分信号，因此发射机可工作在或靠近信号通道饱和范围(即最高效率工作点)。然而，时分系统要求地面发射机且需进行昂贵的信号处理，因此它不能与廉价的地面站相兼容。颇分系统倒是更适合于低造价地面站，但这种系统的发射机效率较低，因为每个发射机要处理多个载波。由于当发射机效率增加时多载波放大器会产生不希望有的互调产物，增加了功率，发射机效率和产生互调产物这一矛盾的最佳折衷也会导致发射机效率较低。
在最适合于很小的地面站间进行双向业务的卫星通信波段Ku波段中，雨对信号的衰减在设计系统时是一个重要的考虑因素。在以往的系统中，这个衰减是在下行时使用比晴天服务时所需卫星的信道发射功率更高(典型为四倍)。因此，为适应降雨造成的衰减使卫星变得很昂贵，只有很少的可用信道。
卫星系统的有用带宽由分配的频谱复用次数来决定。波束的极化和空间隔离可用来允许复用频谱。然而当被隔离的波束数增加时，互连所有用户的问题就变得极为复杂，成为限制频谱复用次数的一个因素。
本发明旨在解决上面提到的各个缺点。
本发明提出一种互连大量很小孔径天线地面站的卫星通信系统，它可使卫星的EIRP和可用带宽最大化。这个系统采用方向性极高的邻接的下行链路波或者发射能充分提高EIRP和给这频谱允许多重复用的信号。这样，能提供点到点通信服务的数量达到最大化。多载波发射机的高效率通过互调产物的散布结果得到的。降雨对下行链路信道的有害影响可以很容易地用汇集发射功率的方法来解决，并用滤波器互连矩阵结合高方向性的可寻址下行波束来实现许多用户的互连。
根据本发明提供的系统使用一颗通讯卫星对地面上一个区域内的多个地面站进行互连，使它们之间能进行双向通信。卫星服务区域中的各地区各自发出上行链路波束，这样就形成了多个上行波束。上行波束传送了多个位于第一预置上行频段内的许多信道。每个上行区域使用相同的预置频段，这样上行频率在每个区域复用，从而有效地成倍增加了卫星可操作的通信信道数目。发向各个下行链路区域(zone)的多个下行波束传送了在第二预置频段的多个信道，每个下行区域的波束也使用同样的第二预置频段，从而使这些频率被多次复用。卫星采用滤波互连矩阵以互连在不同区域内的信道。
利用波束形成网络结合发射天线阵列产生一个方向窄(如东、西方向)，而在其正交方向上宽的扇形波束，覆盖地区内波束的东西方向由下行频率决定，它与上行链路频率只有一个恒定的差值。因此，上行链路频率决定了下行链路频率，通过波束形成网络和发射阵列的作用决定了下行波束方向，因此也就决定了波束的目的地。这样的一种安排叫做频率寻址波束。波束的旁瓣设计得很低，因此在邻近区域内可进行频谱的复用。
发射机最好采用固态放大器装在发射天线阵列之中，每个发射机对应于阵列的每个侧板(staue)。每个这样的放大器都放大卫星所服务的全部上万个信号。由于全部的下行链路功率是由这种单一的集总发射机所提供的，为发向受雨影响区域数量较少的信号提供较高的功率，这对大量的未影响的信号的有用功率只有非常小的一点影响。
因为发射波束的方向与它们的信号频率有关，而功率放大器中产生的互调产物的频率不同于产生它们的信号的频率，因此互调产物以有别于信号的方向下行。这个过程导致了各互调产物间的空间分散。使用多个下行区域时这种分散得到加强，使用宽度不等的多个区域时这种分散将进一步加强。这使所有地面站在其已调谐的频段中互调产物降低。这种对互调产物灵敏度的降低允许卫星上的功率放大器以更高效率地工作。
因此，本发明的一个基本前的是提供一种通信卫星，利用卫星发射天线的高增益和允许给定频谱的多重复用，互连大量很小孔径天线地面站，从而大大地增加了能提供点到点通讯服务的通信信道数目。
本发明的另一目的是从一个简单汇集的发射机提供下行链路功率，这样，被雨所衰减的信号能很容易地分配到较多的卫星发射功率。
本发明的另一目的是提供一种通信卫星，它能分散互调产物，以提高发射机功率。
本发明的另一个更进一步的目的是提供一种上面所描述的能提供广播和点到点通信服务的通信卫星。
在下面对本发明的描述过程中，本发明的上面这些和其他目的和优点将表述得更清楚、更显而易见。
在附图中;
图1是通信卫星的透视图，所示为天线子系统。
图2是图1中天线子系统的俯视图。
图3是图2中沿3-3线的剖视图。
图4是图2中沿4-4线的剖视图。
图5是装备此发明的卫星所覆盖的美国及邻近接收地区的视图。斜线表示所覆盖的基本区域，由小黑点表示的区域为采用区域。
图6是通信卫星通信电子系统方块图。
图7是耦合网络的原理示意图，此网络连接点到点的接收馈喇叭和图6所示通信电子系统的输入。
图8是用于连接接收和发射地区点对点系统的互连信道参考图表。
图9是卫星覆盖的描述多个相邻发射区域的美国图解表示及横贯美国各地区的互联信道的地理分布图。
图9A是点对点系统每一地区发射天线波束增益变化曲线图。此曲线与东西方向上离开波束中心的距离有关。
图9B是与图9A类似的曲线，表示南北方向上的增益的变化。
图10是点对点系统滤波互联矩阵的详细原理图。
图11是点对点系统的波束成形网络的平面详图。
图12为图11所示波束成形网络的局部放大图示。
图13为点对点系统中发射阵列的正视图，为清晰起见，每一发射单元中的水平槽缝未画出。
图14为图13所示发射阵列的侧视图，并画出了单元的共馈网络。
图15为图13所示的发射阵列中发射单元的正面透视图。
图16为点对点系统中接收馈送喇叭的正视图。
图17为表示点到点系统中发射波和部分发射馈源阵列间关系的简图。
先参看图1-4，通信卫星10位于地球表面上方的同步轨道中。卫星天线系统(在下面将详细介绍)安装在面向地球的平台上。这样天线系统可以和地球保持固定的方向。
卫星10是一颗混合的通信卫星，它在一个特定的波段上(如固定卫星利用Ku波段)提供两种不同的通信服务。一种通信服务(下面称之为点到点服务)在很小孔径天线地面站间提供空带声频和数据信号的双向通信。通过运用频分多址(FDMA)及指定工作频谱的复用，可以单一的线性极化同时容纳成千上万个通信信道。卫星10的另一种通信服务是广播，它由另一个线性极化承担。广播用于卫星10的服务地理区域内，基本上采用单向视频和数据传输。这样，发射天线的波束覆盖了整个的地理区域。为说明起见，假定接收点到点及广播服务的地理地区是美国，因此可以用下面的CONUS(美国大陆)系统为例来介绍广播服务系统。
卫星10的天线系统包括一个传统的全向天线13和分别用于点到点系统及CONUS系统的二个天线系统。点到点天线子系统提供双向通信链路，联接双向通信的地面站。CONUS天线系统作为广播的转发器，以较宽的幅射方向图覆盖整个美国，其信号被一个或多个地面上指定地区所接收。点到点的发射信号及CONUS的接收信号是垂直极化的。CONUS的发射及点到点的接收信号是水平极化的。天线系统包含一个大反射器装置12，它由两个反射器12a和12b构成。两个反射器12a和12b围绕公共轴相对转动，两反射器在它们的中点相交。反射器12a为水平极化由水平极化信号控制，而反射器12b为垂直极化由垂直极化信号控制。因此，反射器12a、12b各反射另反射器12a、12b的发射信号。
频率选择屏18由18a、18b两部分构成，它装在支架30上，两个半屏18a、18b相对安装在卫星10的中心线两边，如图2中所示的。频率选择屏18作为双工器，用来分开不同的频带，它由一个分立阵列组成，其中的电导元件由铜一类的材料制成。任何各种类型的已知频率选择屏都可以用在这个天线系统中，在我方编号为PPD-85512的美国专利申请中所给出的频率选择器，具有极好的传输性能，并能区分十分相近的两个频带。Hughes飞机公司的产品中就采用了这种选择器。在点对点及CONUS子系统中，这个频率选择器有效地分离发射和接收信号。可以这样认为，两个半屏18a、18b各自用来分离水平及垂直极化的信号。
在该例中，以单一的波束服务于全国的CONUS系统有8个常规的转发器，每个都用高功率行波管放大器作为它的发射机82(见图6)。CONUS接收天线利用垂直极化，与点对点传送系统共用一个垂直极化反射器12b。CONUS的接收信号通过频率选择半屏18b，聚焦于接收馈源喇叭14上，它安装在反射器12b的聚焦平面28上。这样形成的天线幅射(方向)图刚好覆盖整个美国大陆。CONUS发射天线利用水平极化，与点对点接收系统共用反射器12a。从发射馈源24幅射来的信号由水平极化频率选择屏18a反射到12a上。这样反射后的二次幅射图刚好覆盖整个美国大陆。
点到点子系统包含一个发送阵列20，一个子反射器22和接收馈送喇叭16。发送阵列20(以后将详细讨论)安装在支架30上，恰好位于反射屏18的下面。子反射器22安装在反射阵列20的前方，较反射屏18略低一点，发送阵列20发出的信号由子反射器22反射至半个反射屏18b上。子反射器22和主反射器12配合，有效地加强并放大了来自发送阵列20的信号幅射图。同样，从子反射器22来的信号，被半个反射屏18b反射到大反射器12b上，12b将点到点系统信号再反射到地球上。通过这种方法可得到大孔径相控阵列的性能。接收馈送喇叭16安装在反射器12a的聚焦极26上，它由四个主喇叭50、54、58、62和三个辅助喇叭52、56、60构成，如图16所示。
参考图13～15，发送阵列20由许多(例如40个)发射波导元件106，依次排列构成，如图13所示。每个发射波导元件106由许多诸如26的垂直隔开的水平的狭缝108构成。这样即可产生垂直极化信号。如图14所示，发送阵列20的馈入信号由共馈网络(一般用数字110表示)提供。此网络在四个标号为114的地方激发阵列元件。共馈网络110的用处是提供一个宽频带与发送波导元件106相匹配。信号输入到波导管，打开112，激发阵列狭缝108，由此，狭缝激发用以在南北方向上产生一个平展的幅射图。
请看图5，它描述了一个普通的由水平极化点对点接收系统提供的矩形波束的覆盖情形。在这个具体例子中，用点到点接收系统服务的地区是美国大陆。点到点接收系统由4个波束R1、R2、R3和R4组成，它们相应地将来自上行链路地区32、34、36、38的信号发送到卫星上。R1-R4中的每一波束都含有多个来自每个地区32、34、36、38中各个别地面站的各上行链路波束，并由该站载入一个个别信号，来自不同地面站上行链路信号被置于每一地区多个信道之内。例如，地区32包含多个诸如16个27MHZ的信道，每一信道载有来自地区32中相应上行地面站的上百的个别波束信号。
四个波束幅射方向图的信号等场强度，分别用数字32、34、36和38表示，其信号强度大约比它们相应的波束峰值低3分贝。天线波束设计得能够充分隔离，能在39、41、43和45斜线地区复用频谱四次。在小黑点区域40、42和44，相邻区域产生的同频信号无法有效地隔离。在这些区域产生的每个信号包含两种下行链路信号，一个是期望的，另一个是附加的。在这些区域产生的附加信号以后将会详细讨论。
从图5上可明显看出，被波束32、34、36和38覆盖的地区其宽度不等。被波束32覆盖的东海岸沿伸约1.2径度;被波束34覆盖的中部地区约1.2度;由波束36覆盖的中西部及波束38覆盖的西海岸约沿伸2度。四个接收地区32、34、36和38的宽度由地面站数目，也即不同地区的人口密度来确定。因此波束幅射方向图案32相对窄些，用以容纳美国东部地区较高的人口密度，而波束36相对宽些，这是因为山区各州的人口密度比较低。由于每一地区使用整个频谱，因而波束区域宽度在人口密度大的地区较窄，以满足使用信道较多的要求。
如图9所示，点到点发射系统由T1、T2、T3和T4四个波束构成，相应地覆盖31、33、35、37四个发射地区。T1-T4的每个波束中具有多个各自的下行链路波束，指定给31、33、35和37地区中的各个下行链路地面站，向这些地面站传送各自的信号。下行链路波束信号由指定的下行链路地面站接收，并送入每个地区的许多信道中。例如，地区31可能含有16个27MHZ的信道，每一信道将上百个不同的波束信号传送给地区32中相应的下行地面站。
多个下行链路及不同宽度下行链路的使用有利于产生后面将要叙述的由固态功率放大器产生的互调产物，这些互调产物按地理分布在不同的区域，这种分布能防止多数互调产物被地面站接收。其基本的作用是因为系统能容纳较多的互调产物，可使放大器更有效地使用。尽管发射区域31、33、35和37的宽度几乎和接收区域R1、R2、R3和R4的相同，在两套系统中，仍有微小的差别，用以最大限度地增加系统的容量。
各个发射波束29的半功率点波束宽度较发射地区31、33、35和37的地区宽度要窄。这导致得到所需的高增益，并避免了40、42、44接收区域分布上特有的区域争用。各个波束29必须在地区内予以调整，以便在各个目标地面站方向上获得最大的下行链路全向同性有效辐射功率。点到点可寻址窄波发射由阵列20产生，其量值被两个共焦点抛物面反射器增强，反射器由主反射器12b和子反射器22组成。每个波束29的东西方向由沿着发射阵列20的106元件上的信号的相位进行来决定(见图13及图15)。相位进行由后面要讲的波束成形网络98确定，它是信号频率的函数。每一发射阵列单元20由后面要讲的固态功率放大器驱动。传送到阵列元件106上的功率并不是均匀的，而是锥形，边界上的元件接收到的功率要低10分贝。波束29的锥形是按照发射阵列单元20的位置通过调整发射增益而获得，如图9A所示。激发幅射图决定了发送二次辐射图形的特性。参考图9，发射区域31、33、35和37间最小的间距发生在31和33地区之间，大约有1.2度。这意味着用特定频率对地区33的寻址信号会干扰和用同样频率对地区31的寻址信号，因为其波束中心到旁瓣相差1.2度宽。然而，调整各个发射增益，可以获得较低的旁瓣，因而允许相邻地区频率复用。参考图9A，这时的旁瓣要低波束中心30分贝，因此，这样的干扰就可以忽略。运用相同频率的地区35及37的天线角度离得更远，因此这两个区域的旁瓣干扰就更小。
图9B是南北向发射波束幅射图的说明。每一发射波导管元件106中的26个狭缝108，被激发产生一个近似平展的南北幅射图，从南北轴线向外扩大到加减1.4度的范围。
点到点及CONUS系统都可利用同样的上行链路及下行链路频带，只是点到点系统对上行链路范化用水平极化，而CONUS系统用垂直极化，如前面所述。例如，两个系统同时在14～14.5GHZ间使用整个500MHZ上行链路频带，同样在11.7～12.2GHZ间使用整个500MHZ下行链路频带。在以点到点服务时，32、34、36、38的每一接收地区和31、33、35、37的每一发射地区都利用整个频谱(如500MHZ)。更进一步说，将这整个频谱划分为许多信道，如16个信道，每个信道有27MHZ的可用带宽和30MHZ的间隔。同样，16个信道中的每一个都可容纳800个子信道。因此，在任何给定时刻对每一地区，大约可容纳12500个(16信道×800子信道)32千比特/秒的信道。下面将要讲到，点到点通信技术可使任一地面站同另一个地面站直接联接。这样，以单一极化在全国范围内可容纳共50000个子信道。
参考图1、2、6、7和16，点到点接收馈送阵列16用了七个接收喇叭50-62。喇叭50、54、58和62分别从32、34、36和38地区接收信号。喇叭52、56和60接收来自争用地区40、42和44的信号。用一系列的混合耦合器或功率分配器C1-C9，由喇叭50-62所接收的信号接入四个输出端64-70。例如来自干扰地区44的信号被喇叭的接收，由耦合器C2分离，分到的部分信号分别送入耦合器C1和C4，在C1和C4中，分离信号分别与喇叭58、62接收到的信号相混合。同样，来自地区42由喇叭56的接收信号，由耦合器C5分离。一部分分离信号由耦合器C3将其与耦合器C4的输出信号混合，同时剩下的部分分离信号由耦合器C7同喇叭54接收的信号相混合。
请看图6所示的示意，它用方块图的形式描述了CONUS及点到点两系统接收和发射信号的电子设备，点到点接收信号64-70(见图7)来自点到点接收馈送网络(图7)。CONUS接收信号72来自CONUS接收馈送喇叭14(见图1和3)。点到点及CONUS两者的接收信号都被输入一开关网络76，它能有选择地将输入线64～72与五个相应的接收机相接，74通常指8个接收机。接收机74是按常规方法设计的，其中三个是备用的，除非发生故障，一般不予使用。出现故障时，开关网络重新使输入线64-72与一后备接收机74联接。接收机74用来驱动滤波器互联矩阵90中的滤波器。与64-70连线相接的接收机74的输出由第二个开关网络78通过4条接收线路R1-R4与滤波互联矩阵90相联。在后面将讨论到，滤波互联矩阵(FIM)连接收区域32、34、36、38和发射区域31、33、35、37之间提供了互联。当运用上述的分成16个27MHZ信道的500MHZ频谱时，需要四组由16个滤波器来分离信道。每组16个滤波器利用整个500MHZ频谱每个滤波器的带宽为27MHZ。后面将会谈到，滤波器的输出T1-T4排成四组，每组指定给地区31、33、35和37中的一个来使用。
发射信号T1-T4通过开关网络94分别与6个驱动放大器92中的四个相联，还有两个用于后备。当一个放大器92出现故障时，开关网络94将会把一个后备放大器92与相应的发射信号T1-T4接通。一个相似的开关网络96把放大器92的放大输出同波束成形网络98联接起来。后面将要详细介绍的波束成形网络98由许多传输延迟线构成，沿四条延迟线在等间隔处相接。这些延迟线的间隔和宽度是可以选择的，用以提供所需的中心波束偏斜(squint)和服务于对应的发射地区31、33、35、37随频率而扫描的波束扫描速度。从四条延迟线耦合而来的发射信号在波束成形网络98中相加(如图11、12)，为固态功率放大器100提供输入，固态功率放大器可嵌在点对点发射阵列20之中。在下面的实例介绍中，有40个固态功率放大器100(SSPAS)，每个SSPAS100放大40个信号中相应的一个信号，此信号由波束成形网络98成形。SSPAS100具有不同的功率容量以提供上面提到的锥形阵列激励。SSPAS100的输出与发射阵列20的一个单元上的输入端112相联。(图14)。
CONUS在传输线72上的接收信号5开关网络76、78相连的一个合适的接收机74和CONUS信号相连的接收机输出信号送到多路转换开关80的输入端，此开关有8个信道。输入多路转换开关的目的是将低电平的信号分成一些子信号，这样使及子信号能够在各自的基础上得到放大。CONUS的接收信号被充分放大，因此CONUS发射信号可以分配给非常小的地面站。输入多路转换开关80的输出通过开关网络84与12个高功率行波管放大器82(TWTAS)中的8个相联，另4个TWTAS82是备用的。8个TWTAS82的输出由另一开关网络86与输出多路复用器86相连，此复用器将8个放大信号重新组合，以形成一个CONUS发射信号。多路复用器88的输出通过波导管送入CONUS发射机24(图2和图3)的发射天线上。
图10描述了FIM90(图6)的细节。上面讲过，FIM90能够将接收区域32、34、36和38(图5)中的任何地面站与发射地区31、33、35和37中的任何地面站有效地联接起来。FIM90含有四个波导输入端120、122、124和126，分别接收信号R1-R4。如上所述，接收信号R1-R4来自相应的接收区域32、34、36和38(图5)。每一信号包含整个给定频谱(如500MHZ)，并且分成多个信道(如16个27MHZ信道)。信道再分为多个子信道，每一子信道传送一个来自相应的上行链路地面站的信号。FIM90拥有64个滤波器，其一用102表示。每个滤波器102都有一个对应每个信道的通带(如1403-1430MHZ)。滤波器102分为四群，分别用于接收地区32、34、36和38，每组分成两级或称子群，每个子群含有8个滤波器。滤波器102的一子群包含用于奇数信道的滤波器，另一子群则为偶数信道的8个滤波器。例如，接收信号R1的滤波器群由奇数信道的滤波器102子群104及偶数信道滤波器102的子群106组成。
下表表示了接收信号和地区与它们的滤波子群的关系接收区 接收信号 滤波器子群奇信道 偶信道32 R1 104 10634 R2 108 11036 R3 112 11438 R4 116 118将滤波器按特殊方法分组，使得当接收信号R1-R4过滤后，合成输出的信号以形成发射信号，发射信号T1-T4亦使用整个给定的频谱(如500MHZ)。具体说来，每个发射信号T1-T4都拥有16个27MHZ带宽的信道，还包含来自四个接收地区32-38(图5所示)之一的四个信道。
输入接收信号R1-R4由有关相联的混合耦合器128-134分为相应的子群，耦合器能有效地将50%的信号功率送入每个子群。例如输入于波导管120中R1信号的一半被送入传送线136，以供给滤波器102的106子群。同样，102滤波器的每个104-118子群由相应的分配线路提供，如同136和138线路一样。
现在来更详细地看一下子群104的结构。显然，其他的子群106-118与104子群的结构是一样的。沿发射线136有8个铁氧体环行器140，每个都与奇数信道滤波器140相联。环行器140用来将发射线136的信号无损耗地与每个奇数信道滤波器连接。这样，例如R1信号进入第一个环行器140a，并以反时针转，同时，相应于信道1的27MHZ带宽的信号通过它后再进入环行器142。所有其它频率的信号都被反射。这样反射信号经环行器传向下一个滤波器，这种过程重复地进行。通过这一过程，R1接收信号通过16滤波器104-108对应于R1信号的滤波器的滤波进入16个信道。故具有1个信道频率范围的R1信号经过第一个环行器140a，并由104群的滤波器1滤波。
滤波器子群104-118的输出有选择地以第二个铁氧体环行器142耦合，并和以交叉方式与相邻的102滤波群的输出相加。如104群的信道滤波器1、5、9、13的输出与112群的信道滤波器3、7、11、15的输出相加。这个相加信号在输出端以T1144表示。参看图8，这些信号与接收区域R1、R3的连接有关，并与发射区域T1相关。
图8和9显示了发射及接收信号是如何通过FIM90连接的，由此允许任何地面站间的双向通信。图8的图表明接收和发射区域由互联信道连在一起的，而图9表示了这些互联信道在发射地区31、33、35、37的地理分布。图8中，接收信号R1-R4按行来读，发射信号T1-T4按列来读。从图8可以看出，T1-T4中每个发射信号由16个信道分成相应的四个群，每群与R1-R4中的一个信号合在一起。所呈的卫星通信系统可望用于地面站的相连，这涉及到一个卫星网络控制中心，它能够通过一组开关信号使地面站互相通信。网络控制中心给上述链路用户分配上行链路频率，这个频率基于所需的下行链路的位置，指定使用频率以使其下行链路纬度与目的地面站的最为接近。可寻址下行链路发射波束29的频率也因此由上行键路信号的频率来确定。这个方法可获得最大的下行链路信号增益。
如图9所示，将美国大陆分成四个基本地区，分别用31、33、35和37表示。31代表东海岸地区，33代表中部地区，35代表山部地区，37代表西海岸地区。如前所述，每个地区使用全部的给定频谱(例如500MHZ)。因此，当指定频带为500MHZ时，可有16个27MHZ的信道，加上31、33、35、37中每地区的保护频带。
图9中波束29上方的数字1-16重复了四次，这些数字表示与信道中心频率相一致的波束之径度。由于波束频率灵敏度的原因。要使信道中窄带信号的最低与最高频率之间的纵向间隔接近于信道宽度。每个波束的半功率点间的宽度为0.6度，大约为东海岸和中部地区宽度的一半，是山部地区和西部宽度的 1/3 。天线波束29互相重叠，以保证高的信号密度。所给地区的信道容量越大波束重叠越多。因此，在东海岸31地区，波束重叠大于山部地区35，这是因为东部地区的信号容量大于山部地区35。
现在，以两个不同地区地面站间的典型通信来描述上述所说的互联系统。在这个例子中，假设在密执安州底特律的呼叫者想给加利福尼亚州洛杉矶位于西海岸地区37，为下行链路目的地。如图9所示，位于美国大陆的每一地理位置和特定地区的特定信道相关连。因此，洛杉矶位于发射地区37的14和15信道之内。
现在同时参看一下图5图8和图9，尤其是以下接收和发送区R1和T1在东海岸地区31和32内，R2和T2在中部地区34和33内，R3和T3在山区36和35内，及R4和T4在西海岸地区38和37内。因为底特律位于中部地区，或者说R2位于地区34，由此可见，信号只能通过信道1、5、9、13传送到西部地区，或T4地区37的信道为1、5、9和13。这由图8表中R2行与T4列的交叉来决定。因此，上行键路用户将来自底特律的信号通过信道1、5、9或者13上行，这取决于这些信道的哪一个最接近于下行链路目的地。因为洛杉矶位于信道14和15之间，而信道13最接近于信道14，所以网络控制中心将上行键路信号接于信道13上。洛杉矶的下行链路波束其宽度足以提供较高的增益。
反之，如果上行地面站位于洛杉矶，下行地面站位于底特律，则需要参考图8表中R4行T2列的交叉处。它给出信号能够通过的信道1、5、9或13，并由此选择最接近下行链路目的地的信道。网络控制中心将来自洛杉矶的信号上行链路接到信道9上，这是图为信道9最接近于信道11，也最接近于底特律。
现在回到图10，我们用上面所讲的例子来描述如何将接收到的信号转换成发送信号，其中上行地面站位于底特律，下行地面站位于洛杉矶，从底特律所发送的上行链路信号被发送到信道13上，此上行信号载有接收信号R2。从而，R2接收信号输入到传输线122，输入信号的一部分由混合耦合器130分配给滤波器组120的子群108的输入线路。子群108包括用于奇数信道的一行8个滤波器，奇数信道包括信道13。于是，输入信号经过滤波器13滤波和来自子群108和116别的信号一起输出到164线路上。在164线路上的信道13的信号由混合耦合器158与来自子组106和114的信号合成一起，在输出线150上形成T4信号。此发送信号T4于是被下行链路接到洛杉矶。
应理解上述例子是简化了的，因为网络控制中心可指定较27MHZ带宽的信道更为专用的信道，这是因为27MHZ带宽的信道实际上可由许多较小的信道所构成，如800个32KHZ带宽的子信道。
现在再参看一下图5、8和9，当上行链路信号来自40、42、44(见图5所示)的任一争用地区时，这种信号不仅被发送到所希望的下行链路目的地，而且也将一个不同忽略的信号发送到另一个地理区域，例如，假定上行链路信号来自争用地区42的伊利诺斯州芝加哥，此信号亦发送到加利福尼亚州的洛杉矶，地区34和36的波束的成形叠加产生了争用区域42。因此，上行链路信号可作为接收信号R2或R3而发送。网络控制中心决定是否将接收信号R2和R3加载到上行链路的通信中去，在上述例子中，由于芝加哥离地区36较近，因此是将接收信号R3加载到上行链路通信中去。
如前所述，下行链路的目的地洛杉矶位于地区31，在信道14和15之间。如图8所示，R3行和T4列的交叉点给出了可进行分路通信的可能信道。因此，芝加哥的上行链路信号将被发送到信道2、6、10或11上。因为洛杉矶离信道14最近，所以网络控制中心将选择信道14作为上行链路信道。因而需要注意的是，来自地区34的所不希望的信号也被传送到信道14上，为了确定不需要的信号下行到任何处，可以参考图8所示的表格。图8的表格表明，加载到R2地区34中信道14上的上行链路信号被下行到T1发送区31，所需的信号发送到洛杉矶，不要的信号(即附加信号)发送到东部海岸(即地区31)。网络控制中心在进行频率分配时保持跟踪这些附加信号。由于这些附加信号的影响，使系统的容量略为减少。
现在再参看图6，波束成形网络98接收发送信号T1-T4，并将这些发射信号中的所有单个通信信号耦合在一起，以形成每个信号的发射天线波束。在上面所讨论的例子中指定的频谱为500MHZ，当系统完全载以窄波信号时，波束成形网络98将形成总数为50，000个叠加的天线波束，这样形成的每一个天线波束能够指出在一个使系统性能最佳的方向。相邻单元间的增量相移决定在天线波束的方向，因为相移由信号频率所决定的，所以系统可用来进行频率寻址。
现在我们将注意力集中到图11和12，它详细描述了波束成形网络98。在图11中，波束成形网络常用数字98表示，它被做或通常的弧形并可按装在卫星的通信架上(未标出)。假设通过信号的传通距离是正确，那么弧形形状的波束成形网络98很容易排列。
波束成形网络98包括两组延时线，第一组为环形伸展的发射延时线168、170，第二组为发射延时线172、174，它们和延时线168、170在径向隔开，另外波束成形网络还包括许多径向伸展的波导装置176。具体地讲，提供了40个波导装置176，每个用作发射阵列20(如图13所示)的一个单元106。波导装置168-174的每一个延时线交接并按角度等分。
每个波导装置176确定了径向线的大梁并与每个168-174延迟线相交。如图12所示，在径向线大梁176和发射延迟线168-174的交点上，提供了一个十字形波导耦合器180，此耦合器180将延迟线168-174和径向线大梁相连接。十字形波导耦合器的作用将在以后讨论。
四根延时线168-174分别提供给四个发射地区的T1-T4(图9所示)。这里，发射信号T1加于延时线170的输入端，T2加于延时线168的输入端，T3加于延时线174的输入端，T4加于延时线172的输入端。正如图12所示，字母“L”指明径向大梁间的距离。字母“W”标示每个径向延时线的宽度。尽管径向大梁在延时线方向上按角度等分相隔，由于延时线168-174是径向分隔的，所以它们之间从延时线到延时线的距离也各不相同。因此，由径线大梁176形成的弧度离中心越长，径向线大梁176间在它们与延时线168-174交点处的距离就越大。换句话说，在径向线大梁176之间，延迟线168的间距“L”是小于邻近径向线大梁176之间延迟线174的间距。“L”和“W”的典型数值如下所示
延时线 信号 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选择延迟线168-174的宽度“W”以及相邻两径向径大梁间的长度“L”以产生所需的中心波束的偏斜角(center beam squint)及波束扫描速率，因此校正了每个信道的波束指向。这样每一发射区域的T1-T4可得到所希望的开始及终止点。
见图12，发射信号T2由于准确的距离传入延迟线168，并在此点进入第一径向线大梁176。部分T2信号经过十字形波导耦合器180(例为为一个20分贝的耦合器)，这样，发射信号T2的1%功率被送入径向线传输线176。这部分能量又经波导管176进入相应的固态功率放大器100(见图6及11)。传入延迟线170的信号T1也进行上述的同样过程。由十字形波导耦合器180转送的部分T1、T2信号(如0.01的T1信号和0.01的T2信号)在径向线大梁中相加，组合信号0.01(T1+T2)以径向向外传入下一组延迟线172、174。对于信号T3及T4分别在延迟线174及172上重复了上述的相同耦合过程。也就是通过十字形波导耦合器180的0.01的T3及T4信号耦合传入径向线大梁176，得到组合信号0.01(T1+T2)+T3+T4)以径向向外传入一个相联的固态功率放大器100，并在其中放大以供发射。
经过第一个径向线大梁176后，剩下的0.99的T1-T4信号进入第二个径向线大梁，又将另外1%的信号送入大梁176。每经过一个径向线大梁，都将1%的信号送入其中。
经由径向线大梁176送入SSPAS100的信号，是所有四种点到点发射信号T1-T4的混合信号。然而，发射信号T1-T4都是由12，500个子信号组成的。因此，在上面的详细说明中(指定的频谱宽500MHZ)，40个经由径向线大梁176的信号是50，000个信号的混合信号。因此，每个SSPAS100放大来自众多波导装置176的所有50，000个信号。
由于每个SSPAS100放大所有50，000个来自所有地区的指定信号，因此可以看出，所有的窄带高增益下行波束都是由共同汇集发射机形成的，即所有的SSPAS100形成的。因为使用所有的SSPAS可使下行链路波束覆盖整个国土，所以此方法被认为能有效地提供全国范围的功率汇集区。这样，就可在减弱其他波束功率的前提下，将功率汇集区的部分功率以适应特殊情况，处于别地区不利条件下的下行链路用户。例如，由于下雨而减弱了下进链路地面站的波束信号的强度使下行用户处于不利条件下。这种因雨受损害的用户可通过增加相应上链路波束的信号强度来弥补。即是通过从全国性发射功率网(pool of power)中输送一部分功率给处于不利条件下的下行链路用户来完成(例如，从所有SSPAS100中提供一部分功率)。每一行上链路波束的功率都相应的下行链路波束的功率成比例。所以，为了增加下行链路波束的功率，只需增加上行链路波束的功率即可。
实际上，上述的网络控制中心保持跟踪所有的降雨区域，并确定区哪些上行链路用户要与降雨的下行链路用户通信。于是网络控制中心利用开关信号阵指令每个上行链路用户，增加发向雨区的上行链路信号功率。上行链路信号功率的增强，使SSPAS100对这些信号增加集合放大，以产生针对雨区的相应下行波束，增加的功率电平有效地补偿了束雨的影响。一般而言，给定降雨地区的信号数目与用SSPAS100总功率操作的信号总数关系不大。因此，其它非降区地区下行链路用户的信号不会减弱，因为一点微小的减弱被分配于成千上万个用户的身上。
SSPAS100(图8和11所示，例如可装在卫星通信架上(未标出)。由SSPAS100放大的信号送到发射阵列20的相应元件106上。
如上所述，可得到40个径向线大梁176耦合的信号之间的增量相移。因此，波束成形网络98允许从发射阵列20(图12、13)发出的天线波束用频率的给定来控制。增量相移与在波导管176间的时间延迟有关，同样也与频率有关。参看图17，这是40个发射阵列元件106中的四个的简图，说明波阵面从那里发出的。其中“d”为发射阵列元件106间的距离。所得天线波束有一倾角θ，此θ定义为波束扫描角。这就是说，θ是离标准波束发射中心的角度。由延迟线产生的增量相移为△φ。θ与△φ的关系如下△φ＝ (2πd)/(λ) sinθ其中λ＝单个波长θ＝波束扫描角d＝阵列元件间距这样，天线波束的东西方向由增量相移来确定，增量相移对于波束成形网络98的四个延迟线168-174是不同的。因而得到上面所述的四个发射地区T1-T4。
通过对该项发明的介绍，可以认为，对于熟练于此技术的人来讲，在不背离该项发明的精神和超出其涉及的技术范围的前提下，可以对该发明描述的细节作各种补充和修改。因而可以理解。我们所寻求的专利保持将涉及所述主体部分的权利要求
以及本发明范围内的一切等价之处。
权利要求
1.一种利用地球轨道通信卫星互连地面上一个区域内多个地面站进行双向通信的方法，包括(A)从覆盖上述区域中多个区域的每个地面站向上述卫星发送射频上行波束，每个上述区域的上行波束都载有位于相同第一频段的多个通讯信号，这样，上述的第一频段为每个上述区域的上行链路波束所复用；(B)在上述卫星上接收上述的上行链路波束；(C)从上述卫星把多个射频下行波束分别发射到位于上述区域的地区，在每个上述区域接收到下行波束含有位于相同第二频段可为每个上述区域中接收到的下行波束所复用。
2.如权利要求
1的方法，其中上述的第一和第二频段的每个内均安排了许多信道，每个上行信道包括分别来自各相应区域的上行地面站的许多信号，每个下行链路信道也包括分别指定给相应区域的各下行地面站的多个信号，上述方法包包预选上述信道中的某一信道，此信道载有上行波束的信号，它和步骤(A)发射信号区域的地点一致，而下行波束的信号则和按步骤(C)发射信号区域的地点相一致。
3.如权利要求
2的方法，包括把每个信道与每个区域中的地理位置联系起来;根据准备接收上述信号的地面站地理位置从经预选的信道中选出一个信道用来传送在上行波束和下行波束中一个上述的信号。
4.如权利要求
1的方法，包括形成上行波束这一步骤，这样，相邻个个区域是紧接着的。
5.一种利用一颗地球轨道通讯卫星互连地面上一个地区内的多个地面站的通讯方法，包括(A)在卫星和地面上覆盖上述区域中各个众多分别相关的地区之间形成多个上行射频波束，每个地区由多个上述上行链路波束所覆盖，此上行波束覆盖着每个上述区域，包括多个信号来自位于相应区域的上行地面站，从某一上述区域中的上行地面站发出的信号中，至少一个要被位于上述某一区域之外的地区中的下行地面站所接收，每个上述地区的上行波束中的信号载于第一预选频段中，因此所有区域的上行波束都具有相同的频段;(B)在上述卫星上接收上述每个上行波束;(C)在上述卫星和每个上述区域之间分别形成多个射频下行波束，每组上述下行波束覆盖着上述区域中相应的一个地区，且包括来自上述上行地面站的多个信号，并且指定给上述相应区域中的下行地面站，在某些上述的下行波束中，至少有某些信号来自位于上述别的区域，覆盖住每个区域的下行波束中的传送在第二预选频段，即覆盖着所有区域的下行波束具有相同的频段;(D)把上述上行波束中的上述某些信号转换成含的待接收上述某些信号的下行地面站的对应区域的下行波束。
6.权利要求
5的方法，其中，步骤(A)包括在上述第一预选频段内形成多个频率信道这个步骤;步骤(C)包括在上述第二预选频段内形成多个频率信道这一步骤;步骤(D)包括把下行终端站根据一个预定的图形和上述第一及第二频段内的信道联系起来，且根据上述预定图形选择一定信道传送上述的某些信号这一步骤。
7.一种互连覆盖地面上一个地区的多个地面站用以进行双向通信的卫星通信系统，包括一颗设置在地球上空同步轨道上的卫星;在上述卫星和覆盖上述区域许多分别联系的一个区域之间形成多个上行射频波束的第一装置，上述多个上行波束中的每束载有从相应区域的上行地面站发出、并指定为上述区域中的一个下行地面站接收的多个信号，每个区域的上行波束载有第一预定频段上述信号，因此可使载有上述信号的所有上行波束使用同样的频段在上述卫星和上述区域之间形成多个下行射频波束的第二装置，每组上述下行波束都载有一个指定为一个上述区域中的下行接收站接收的信号。
8.权利要求
7的系统，其中每组上述的下行波束覆盖一个上述的区域，每组载有多个在第二预定频段内的上述信号，因此使载有上述信号的所有下行波束组可利用相同的频段。
9.权利要求
7的系统，其中由上述上行波束传送的信号是频分复用信号。
10.权利要求
9的系统，其中每一预置频段包括一组信道，和上行波束包括完全相同的上述信道各组。
11.权利要求
7的系统，其中每个上述的区域一般为矩形的。
12.权利要求
7的系统，其中每个上述的上行波束具有的旁瓣其信号强度上足够小，可避免在上述区域的大部分地区内的邻近地带间相邻上行波束的信号间实质性干扰。
13.如权利要求
7的系统，其中每个上述的下行波束具有的旁瓣其信号强度上足够小，可避免在上述区域的大部分地区内的相邻地带内的相邻下行波束的信号间实质干扰。
14.权利要求
7的系统，其中上述的区域是相互连接的。
15.权利要求
7的系统，包括把上述上行波束中的信号转换成上述下行波束中的信号的装置，上述转换装置包括具有多个输入端(每个输入端分别接收一个上述上行波束的信号)和多个输出端在上述下行波束中发送信号的互连装置。
16.权利要求
15的系统，其中上述互连装置包括一个连接在上述输入端和上述输出端之间的带通滤波器矩阵，用以分别通过上述上行波束中的一些信号，这样，与一个上述区域相联系的上行波束中的信号就能被一个下行波束送到另一个区域之中。
17.权利要求
7的系统，其中所述的第二装置包括分别用来传递每个上述上行波束中的信号的第一组线路，每条线路包括一个用来接收上述的上行波束信号中相应的一个的输入端;空间上隔开的第二组线路，这些线在上述第一组线路和第二组线路的交叉点上与上述第一种线相交，上述第二组线路中的每条在上下交叉点上和上述第一种线路中的每条相耦合;使上述第一组线路的每条携带的每个上行波束信号的部分能量被转换到上述第二组线路的每条线路中，上述第二组线路的每条具有一个输出端，把信号输出给下行波束传送;经过预先选定的邻近交叉点间的距离和上述第一种线路每条的宽度，能产生每个下行波束信号所需的相移，这样，下行波束信号能被导向相应区域中的各个有关位置。
18.权利要求
17的系统，其中上述的第二组线路从一个参考点基本上呈径向延伸，这样，使上述第二种线之间互相散开。
19.权利要求
18的装置，其中上述的第一组线路相对于参考点延圆周方向延伸且相对于参考点径向隔开，因此使相邻交叉点间的距离随交叉点和上述参考点间的径向距离增加而增加。
20.权利要求
17的装置，其中上述的第一组线路包括多个能传递电磁能量的传输线，上述的多个第二组线路包括多条电磁能波导。
21.权利要求
20的装置，其中每根上述传输线通过电磁波十字形波导耦合器与每个上述的波导相耦合。
22.权利要求
17的装置，其中上述的第一组线路中至少两条是基本上互相邻接的。
23.如权利要求
17的装置，其中上述的第一组线路中至少两根是互相隔开的。
24.权利要求
17的装置，其中上述的区域在一个方向排成一行，在所述的这个方向上，上述区域的宽度可变，这样可减少下行信号中互调失真的影响。
25.一种为进行双向通信互连覆盖地面上的一个地区的多个地面站的卫星通信系统，包括一颗卫星;在所述地区的多个区域的每个之间形成多个射频上行波束的装置，上述许多波束中的每一束均载有来自相应区域中的上行地面站发出的多个可频率寻址信号，上述的许多波束中的每一束载有同一频带内的可频率寻址信号;安排成一群一群分别覆盖上述区域的多个射频可寻址下行波束的装置，上述波束中每束均载有一个信号，从一个区域中的上行地面站发出的至少有一些信号通过下行波束传送给别的地区指定要接收这些信号的下行地面站。
26.一种为进行双向通信互连覆盖地球上的一个地区的多个地面站的卫星通讯系统，包括一颗位于地球上空同步轨道上的卫星;在上述卫星和覆盖上述区域中各自联系的多个区域的每个之间形成多个上行射频波束的第一装置，上述上行波束中的每束都载有来自一个相应区域的上行地面站指定为一个上述区域中的下行地面站接收的多个信号;和在上述卫星和上述区域之间形成多瓣下行射频波束的第二装置，每群下行波束均载有指定为一个上述区域中的下行地面站接收的多个信号，每个区域的下行波束在第二预定频段传送上述信号，因此使用相同的频段，通过下行链路波束传送上述信号。
专利摘要
采用分离子系统的卫星通信系统，用于在给定的频带内的实现广播和点对点的双向通信。广播和点对点的子系统采用具有公共反射器12的集成化卫星天线系统。子系统通过对给定的频带在覆盖所需服务的地面区域的多个邻近地区32，34，36，38中重复使用，以得到增加通信的容量。这些区域中的小孔径天线地面站由多个高增益下行链路扇形波束提供服务，通过频率寻址的方法对这些波束在东西方面进行控制。
文档编号H04B7/204GK87105620SQ87105620
公开日1988年5月11日 申请日期1987年8月14日
发明者罗森·哈罗德·A 申请人:休斯航空公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan