Ka波段

用于卫星通信的电磁频谱的微波波段

Ka波段是电磁频谱的微波波段的一部分，Ka波段的频率范围为26.5-40GHz。Ka代表着K的正上方(K-above)，换句话说，该波段直接高于K波段。Ka波段也被称作30/20 GHz波段，通常用于卫星通信。

概念

Ka波段大致上的频率范围是30/20GHz。Ka频段具有可用带宽宽，干扰少(干扰不一定少)，设备体积小的特点。因此，Ka频段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视(HDTV)、卫星新闻采集(SNG)、VSAT业务、直接到户(DTH)业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。Ka频段的缺点是雨衰较大，对器件和工艺的要求较高。在Ka频段频音下，Ka用户终端的天线尺寸主要不是受制于天线增益，而是受制于抑制来自其它系统干扰的能力。

Ka波段概述

Ka波段最重要的一个特点就是频带较宽，C频段的一般可用带宽为500MHz～800MHz；Ku频段的可用带宽为500MHz～1000MHz；而Ka频段的可用带宽可达到3500MHz。因此，Ka波段卫星通信系统可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视(HDTV)、卫星新闻采集(SNG)、VSAT业务、直接到户(DTH)业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。Ka波段的缺点是雨衰较大，对器件和工艺的要求较高。在Ka波段频率下，用户终端的天线尺寸主要不是受制于天线增益，而是受制于抑制其它系统干扰的能力。

早期试验研究情况

1974年，美国NASA就曾在Fairchild(仙童公司)研制的ATS-6(应用技术卫星-6)上进行过20、30GHz连续波和多个单音的传播试验，开辟了Ka波段卫星传播和通信试验的先河。1976年，美国用一枚火箭同时发射了LES 8、9(林肯试验卫星8、9)，它不仅与地球站进行了Ka波段的传播试验，而且还建立了卫星间Ka波段试验链路。

日本在开发卫星通信的初期，就将目标定在了Ka波段。1977年4月，日本发射了与美国合作研制的ETS-II(工程试验卫星II)，并于1977年12月发射了自己的实验通信卫星CS-1(通信卫星-1)，该卫星载荷有6台Ka波段转发器。接着，日本于1983年2月和8月分别发射了CS-2(2A、2B)商用卫星。其中2A位于同步轨道130°E，属于工作星，2B作为备份星位于135°E。CS-2不但是日本的第一颗商用通信卫星，也是世界上第一颗搭载Ka波段转发器的实用通信卫星，载有6台Ka波段转发器，2台C波段转发器，采用二次变频体制，中频频率1.8GHz。后来，日本于1988年发射了CS-3A、3B两颗卫星， Ka波段转发器增加到l5台，采用单波束天线。其Ka波段转发器的主要特点是：采用了与CS-2不同的一次变频体制，直接进行上下行频率转换。

欧空局于l990年7月发射了Ka波段的奥林巴斯(OLYMPUS)通信卫星。意大利也较早地开发利用Ka波段卫星ITALSAT(意大利卫星)，该星为意大利第一颗国内通信卫星，于1991年发射，载有三类有效载荷，其中两类用于Ka波段点对点通信，包括多波束系统和全球波束系统，多波束系统有6台Ka波段转发器，具有0.9Gbit/s的数据传输能力。

Ka波段卫星的起伏发展阶段

20世纪末，随着全球信息高速公路的发展，众多的Ka波段计划纷纷出台。l997年美国联邦通信委员会(FCC)对13家公司发放了Ka波段卫星通信系统许可证。例如，洛克希德·马丁公司的Astrolink系统，计划用5颗地球静止轨道卫星提供高数据速率通信业务，具有星间链路；Teledesic系统则计划在1375公里的l2个圆轨道面上部署288颗卫星；另外就是劳拉公司的Cyberstar系统，由3颗卫星组成；HCI的Galaxy/Spaceway，由20颗星组成；GE美国公司的GE Star系统，由9颗卫星组成；晨星公司的Morning Star系统，由4颗卫星组成；而著名的移动卫星“铱系统的星间链路也采用了Ka波段技术。此外，欧空局、日本、德国、加拿大、韩国等也都推出了自己的Ka波段计划，如法国的SkyBridge；韩国为2000年奥林匹克运动会和2002年世界杯电视转播而计划发射的Koreasat-3(韩星-3)等。

与此同时，数据中继卫星也开始大量应用Ka波段。因为太空中不存在雨衰，因此Ka波段是太空传输的最佳选择之一。美国计划从2000年开始使用的第二代跟踪与数据中继卫星。增加Ka波段星间链路和馈电链路，其最大反向数据率可达650Mbit/s。欧空局的计划分为两个部分，一个是“高级中继和技术试验卫星(ARTEMIS)”，另一个是数据中继卫星(DRS)，在星间链路和馈电链路上都使用了Ka波段传输技术。日本发射了两颗名为数据中继测试卫星(DRTS)，其中在星间链路和馈电链路中使用了Ka波段转发器技术，最大反向数据率可达300Mbit/s。

然而，因为本世纪初光缆对卫星通信产业所产生的巨大冲击，使得Ka波段卫星的发展遇到前所未有的挫折。许多Ka波段项目被无限期地延长。

波段试验卫星

研究背景

技术试验卫星是用于卫星工程技术和空间应用技术的原理性或工程性试验的人造地球卫星，对卫星技术的发展具有很大的推动作用。人们曾较为全面地开展了针对Ka波段卫星的试验，著名的有美国的ACTS(先进通信技术卫星)和日本的WINDS卫星(宽带互联网工程试验和演示卫星)。

ACTS是由Martin Astro. Space公司为美国宇航局(NASA)Lewis研究中心研制的，于1993年发射升空。ACTS采用了一系列新的技术，通过试验论证成功后，将作为未来通信卫星的标准。这些新技术包括：跳变点波束、星上交换、雨衰补偿等。

跳变点波束

一般的卫星大都是利用宽波束覆盖，提供相对低的信号EIRP，因需要较大的地面接收天线和较大的上行链路天线，提高了系统的成本。而点波束却能将射频能量集中到具有很小覆盖区域的窄波束中去，使卫星获得很高的G/T和EIRP。ACTS采用的点波束有20dB的信号电平的改善，带来的好处是系统中的地球站可用小尺寸天线获得较高的流量。然而，点波束也存在不足，主要是固定指向点波束在照射较大通信覆盖区域时，其数量必须大幅增加，再就是灵活性不够，经营成本增加。跳变点波束则能很好地解决后一个问题。在ACTS卫星中，波束指向位置是基于人口密度、地区分集数据源的可用度与宽带信道配合而选择的。除利用开关矩阵的固定波束外，还有利用基带处理器(BBP)的两簇跳变点波束。不论是哪一种波束，工作时都能用某种开关进行控制，按用户的申请运作，对服务需要作出响应。另外，两簇跳变点波束以均匀增益覆盖夏威夷、阿拉斯加和整个半球。固定和跳变指向的波束都有0.3°的波束宽度；而可控反射面天线口径较小，其波束宽度为1°。

星上交换

ACTS有两种卫星星上交换方式：一种是通过开关矩阵，另一种是通过具有存储的基带处理器。在开关矩阵(MSM)方式中，用它来连接三个固定波束或两簇跳变波束，开关矩阵具有900MHz的带宽，可提供弯管或动态交换。当用于动态交换时，帧长为1ms；对于低数据率终端要求较长静止时间的应用，则帧长为32ms。在基带处理器(BBP)方式中，用来控制两簇跳变指向的波束之间的TDMA业务。每一跳变波束簇的最大吞吐量为110Mbit/s，每帧1728时隙。基带处理器的一个特有的优点是，只有需要访问的那些波束才被激活，即提供按需分配多址(DAMA)信道，从而使卫星资源得到最大利用。

相关研究

行波管作为微波频段应用最广泛的电真空器件，具有其他器件无法比拟的优越性。慢波系统作为行波管中注-波互作用的核心器件，其性能直接决定了行波管的技术水平。在各种慢波结构中，螺旋线由于其色散特性平坦，工作频带宽，在行波管中得到了广泛应用；但螺旋线行波管的输出功率受到限制，特别是当行波管工作于短厘米和毫米波段时，由于螺旋线横向尺寸极小，散热困难，其功率容量小。耦合腔的耦合阻抗高，互作用效率高，却是以减小带宽为代价的。此外，毫米波耦合腔行波管尺寸很小，加工和装配精度要求高，成品率低，成本高。因此，寻找能工作在毫米波段、性能优良的新型行波管慢波结构就显得十分必要了。

在曲折波导慢波结构的基础上，提出了一种新型的曲折波导慢波结构:曲折双脊波导慢波结构，图1：曲折双脊波导慢波结构示意图所示。该新型慢波结构是由双脊波导沿电场面周期性弯曲成直角型曲折线或U形曲折线，形成慢波结构；再沿慢波结构的中轴对称线的位置在波导壁上开圆形通孔，形成电子注通道。本文理论分析了Ka波段曲折双脊波导慢波结构的高频特性，并与Ansoft公司开发的HFSS软件仿真结果进行了比较。在高频特性分析的基础上，利用三维粒子模拟软件MAGIC 3D建立了曲折双脊波导行波管模型，并对行波管中的注-波互作用进行了模拟分析；此外，在相同工作条件下，模拟了曲折波导行波管的注-波互作用，比较分析了两种行波管的输出功率，电子效率和增益等参量。

曲折双脊波导慢波结构的高频特性

在曲折双脊波导慢波线中，当电磁波沿曲折路径传播时，由于波导的弯曲从而降低了电磁波的纵向等效相速度。电子注由电子枪发射出来，沿着电子注通道向前传输。当电子注经过波导的间隙部分时，由于沿波导传输的TE10模的横向电场的作用，注中的电子会感受到加速或减速的力。根据电子注电压和波导尺寸适当的设计，可以实现电磁波和电子注的同步，从而使得两者之间的互作用得以持续的进行，实现了信号的放大。

注-波互作用的大信号模拟分析

根据之前高频特性分析，曲折双脊波导慢波结构的工作电压在13.3 kV，并且能在近10 GHz的频率范围内满足同步条件，实现有效的注-波互作用。在此基础上，利用MAGIC 3D仿真软件对曲折双脊波导行波管中的注-波互作用进行模拟分析。

注-波互作用的研究主要包括三个方面的内容：在波场的作用下电子运动的变化;在电子激励下波场运动的变化；波场和电子互相作用产生的总的结果。MAGIC 3D程序是从设置的边界条件和初始条件开始，对初始态的大量电荷粒子统计平均求出空间电荷和电流，再由完整的Maxwell方程组计算出空间的电磁场，由Lorentz公式求出每个电荷粒子在电磁场作用下的加速度、速度以及由此产生的空间位移和速度变化，从而得到电荷粒子新的空间分布和速度分布。由此循环，跟踪计算出大量电荷粒子的运动轨迹和电磁场的时间演化过程，从而模拟出注-波互作用的整个过程，从中分析出电子注、高频场的变化情况。最后对这些微观电荷粒子的有关物理量进行统计平均，得到宏观系统的性质和运动规律，从这些模拟结果中可以分析出注-波互作用的总的结果。

研究结论

提出了一种新型慢波结构-曲折双脊波导慢波结构，从理论和仿真模拟上分析慢波结构的高频特性，并在此基础上设计了工作在Ka波段的曲折双脊波导慢波结构。利用三维粒子模拟软件MAGIC3D建立了曲折双脊波导行波管模型，并对行波管中的注-波互作用进行了模拟分析。此外，在相同工作条件下，模拟了曲折波导行波管的注-波互作用，比较分析了两种行波管的输出功率、电子效率和增益等参量。从中发现，在行波管增益峰值相近的情况下，曲折双脊波导行波管的3 dB增益带宽为22%，其带宽性能更好；同时，新型行波管的电子效率峰值接近9%，具有更高的效率。

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