近年来发射的多点波束高吞吐量卫星（HTS）系统能够提供数十到超过100Gbps的吞吐量，给用户以及卫星运营商提供了一个显著降低卫星数据业务成本的机会，而目前的卫星数据业务基本是宽波束固定卫星业务（FSS）卫星占主导地位。为了在将来适应更高的数据密集型业务，甚至与地面宽带运营商在某些他们提供业务不足的市场进行竞争，需要设计一个更加具有竞争力和更先进的HTS系统，该系统至少可以支持高一个数量级的吞吐量，并可以对载荷资源进行完全灵活的再分配。在未来HTS的路线图中，其中一个最关键的部分在于卫星有效载荷输出部分的设计。由于它处理高功率微波信号，其输出性能与卫星大小、频谱效率，以及由此产生的整个吞吐量直接相关。本文阐述和比较了卫星输出部分的几种可行的技术和配置方案，可以切实提高未来HTS的吞吐量和灵活性。

未来HTS输出部分的技术

HTS再生中继系统由输入部分和输出部分组成。输入部分主要是HTS的低功率负载，处理来自信关站前向波束和用户反向波束的上行链路信号。它通过接收（RX）天线接收到射频（RF）载波，对其进行放大、频率变换，并将处理后的信号路由到输出部分。输出部分主要是HTS的高功率负载，它将从输入部分路由来的信号进行功率放大，然后通过发射（TX）天线将放大后的信号馈送到指定的下行链路波束。HTS的天线系统通过同一组馈源对同一波束输入、输出信号进行接收和发射。

图1所示是一个覆盖东亚地区的未来Tbps级别的HTS系统波束覆盖图。为了实现如此高的吞吐量，HTS系统的波束数量以及波束容量都必须显著地提高。自从研制HTS系统伊始，国际上的载荷制造行业就在提高馈源簇的集中度以及RF负载性能方面付出了很大努力。在输入部分，要尽可能将噪声系数降到最低，而在输出部分，则需要将RF输出信号的功率尽可能增加到最高，从而可以将整个链路的载噪比做到较高，这样每个波束以及整个卫星的容量将得到提高。然而，我们目前需要面对的更具有挑战性的问题是，并非所有的设计容量都能被消耗。随着越来越多的HTS系统加入竞争，对于一个未来的HTS系统设计而言，只是简单的提高吞吐量应该是不够的。       

图1 一个可覆盖东亚的未来多波束HTS系统，吞吐量>1Tbps

HTS运营商希望能实现充分的灵活性，以便在卫星的寿命期内能够随时重新分配有效载荷资源。在输入部分，该灵活性可通过一个数字信道化处理器（DCP）来实现。一个典型的星载DCP能够在不同波束之间实现信号载波的数字化、分段、路由、重组和多播，从而能够根据需要轻松实现星形、网格和环回等网络拓扑结构。通过DCP也可以实现星上载波频谱分析、上行拥塞抵消和信关站调度能力提升等许多有用的功能，这将给HTS运营商带来很强的灵活性。 目前，DCP开始越来越受流行，并被越来越多的HTS载荷设计所采用，其技术仍朝着超宽处理带宽（BW）、低直流功耗，甚至更高处理速度的方向快速演进。 唯一的限制是，仅凭DCP，如果没有输出部分的设计更改，波束吞吐量的灵活性就无法真正实现。 

图2 HTS载荷演进说明：（a）传统的固定输入/输出部分，（b）具有DCP的灵活输入部分，

（c）

以及（c）具有DCP和集成T/R模块的馈电天线的灵活输入/输出部分。

理想的“面向未来的”HTS系统必须具备真正的吞吐量灵活性，包括1）波束带宽的可调性，2）波束功率的可调性，以及3）波束形状的可调性。通过使用DCP，输入波束带宽的可调性可以通过控制载波带宽、锐度和再生频谱来实现。射频模拟输入多工器（IMUX）的功能可以由数字处理器实现，如图2（a）和（b）所示。 然而，波束的绝对带宽仍受输出多工器（OMUX）的通道带宽限制。目前，大多数商用HTS仍采用OMUX设计（图2（a）和（b））。这是因为传统的行波管放大器（TWTA）仍然被广泛用于微波的高功率放大。TWTA的优点是高输出功率、高功率附加效率（PAE）、高工作频率和宽的工作带宽，但其重量重，外形庞大和高直流功耗等特性也使其在现实中无法为一个带有数百个点波束的HTS系统的每个点波束配置一个单独的TWTA。当采用多个波束共享一个TWTA输出时，必须在TWTA输出端口后使用订制的OMUX，以将放大的微波信号通道化，并传送至指定的下行链路波束。 一旦制造并安装了OMUX，卫星输出波束带宽的可调性就受到限制。由于多波束共享一个TWTA，相应的波束功率的可调性也将受到限制。尽管最近提出的可调谐输出滤波器可能有助于波束带宽的灵活性，但其复杂的调谐机制不能保证同传统固定OMUX一样的可靠性。

为了实现输出部分的全面灵活性，必须使用基于单片微波集成电路（MMIC）的发射/接收（T/R）模块，并将其与HTS的天线馈源集成在一起。每个模块都包含MMIC低噪声放大器（LNA）和MMIC固态功率放大器（SSPA）。与输入和输出部分的传统的分离式对应部件相比，其外形、重量和直流功耗显着降低。如图2（c）所示，T/R模块中的LNA和SSPA直接连接到每个馈源的Rx和Tx端口，与传统HTS相比，电缆损耗和电缆重量大大降低。通过这种每个波束配置一个T/R模块的载荷设计，整个微波信号路径中都不需要固定模拟窄带设备。

HTS波束频率的选择完全由输入端的DCP决定，这意味着每个波束可以占用整个可用的下行链路频谱，而无需使用在传统的HTS设计中采用的固定多色方案。 波束业务和波束间干扰可以通过地面系统借助星载DCP对载波频率和带宽分配来进行优化，这样就会使波束容量和带宽灵活性得到显著提高。

在未来HTS中，高频极窄点波束（例如Ka频段中使用的）被大量使用，基于MMIC的有源T/R模块天线馈源将会成为高性价比解决方案。 由于极窄点波束的天线增益相对较高，星载SSPA的输出功率要求就可以放宽，从而降低MMIC模块的成本。传统上，砷化镓（GaAs）半导体有源T/R天线馈源在低频（例如L和S频段）卫星有效载荷中更为常见，更具竞争力。然而，随着业内多年的研究和发展，氮化镓（GaNg）MMIC也逐渐在Ku和Ka波段的卫星通信有效载荷中采用。 基于GaN的LNA具有高耐用性和更高线性度。 GaN半导体所具备的更宽带隙、更高的连接点工作温度和更高的电子迁移率特性，相比GaAs半导体，更加适合高频星载功率放大器件。而且GaN放大器的相对更高的输出阻抗简化了匹配网络的设计，而高漏极电压简化了DC/DC供电网络的设计，所有这些都有利于HTS的MMIC集成和封装。 GaN MMIC的使用还有助于有源和无源器件的小型化和集成化，如将增益模块、移相器、衰减器、混频器、振荡器，甚至是再生中继系统需要的倒换开关和隔离器等集成在同一个微波芯片上。

借助DCP中的专用软件和硬件模块，卫星运营商可以轻松配置基于MMIC的有源T/R阵列馈电天线系统，实现数字波束形成（DBF）。DBF功能是电控波束扫描和波束形状调整等先进的波束灵活性的前提，这将为要求高分辨率波束覆形覆盖的未来HTS业务提供便利。

基于MMIC的有源T/R模块配置简化了馈电网络设计。传统HTS中存在的复杂波导馈电网络现在可以通过采用更轻电缆的简单设计而取代，更不用说采用T/R模块本身对于发射端重量减轻的贡献。路径损耗上的减少可以大大改善输入部分噪声系数，并在输出部分转换为更高的下行链路功率。得益于简化的网络和使用更小的波束，载荷冗余设计也变得非常简单。如果配备了DBF功能，任何单波束故障都可以通过波束成形来补偿，并且只会带来覆盖性能的柔性降级，而不会像传统的HTS系统那样造成覆盖盲区。

输出部分性能比较

为了展示基于MMIC的HTS输出设计的效果，本节将其性能与传统的基于TWTA的HTS设计进行比较。假设一个固定的覆盖区域，例如中国，由于覆盖波束的大小不同，相应的波束数量和下行链路点波束增益如表1的前两行所示。采用5W、7W、10W SSPA和150W TWTA的点波束的下行链路EIRP也如表1所示。SSPA工作在2dB的OBO，并且采用每个放大器1个波束的配置；而TWTA工作在3dB的OBO，并采用每个放大器2个波束的配置。可以发现，当点波束大小减小时，波束天线增益在EIRP中占较大比重。尽管采用TWTA比采用SSPA取得更高的下行链路EIRP，但值得注意的是整个卫星链路的性能不仅受波束EIRP的限制：当波束大小减小时，波束间干扰、交调干扰、邻星干扰、上行链路载噪比等也可能成为链路性能的瓶颈，因此更高的下行链路EIRP并不一定保证波束吞吐量的提高。

当HTS使用更窄的点波束时，波束上行链路G/T值也将增加，这有利于上行链路性能以及HTS的总吞吐量。表2列出了不同波束大小的典型Ka频段波束的G/T峰值，以供参考。

图3 不同波束大小和HPA类型覆盖同一地区的HTS吞吐量和直流功耗趋势图

表1 HTS点波束下行EIRP与波束大小和HPAs不同输出功率水平的均衡

表2 HTS点波束上行链路G/T值随波束大小变化比较

在图3中使用表1中所示的波束数量和波束大小对HTS吞吐量和直流功耗进行了比较，并且假定前向链路上每个用户波束的带宽为250MHz。可以很容易地发现，当波束大于0.5度时，基于可实现的直流功率（<20 kW），TWTA解决方案可以产生更多的吞吐量。然而当波束大小持续减小时，TWTA方案将因为卫星总直流功耗太高而无法接受。另一方面，当总吞吐量达到400Gbps（399 x 0.3度点波束）时，基于MMIC-SSPA的解决方案也能提供相当的吞吐量，同时大大降低总直流功耗。在本文中，图3仅比较了直流功耗和吞吐量，但其他关键参数，例如有效载荷质量、HPA散热等也同样可以进行比较并得出相同的结论：基于MMIC技术的未来HTS输出端设计更具竞争力和成本效益。如果以60dBW的EIRP作为一个不错的下行链路设计分界线，则HTS波束尺寸与SSPA功率电平之间的最佳平衡点为：0.3度时5W，0.35度时7W和0.4度时10 W。