Ka波段

Ka波段大致上的頻率範圍是30/20GHz。Ka頻段具有可用帶寬寬，干擾少(干擾不一定少)，設備體積小的特點。因此，Ka頻段衞星通信系統可為高速衞星通信、千兆比特級寬帶數字傳輸、高清晰度電視(HDTV)、衞星新聞採集(SNG)、VSAT業務、直接到户(DTH)業務及個人衞星通信等新業務提供一種嶄新的手段。Ka頻段的缺點是雨衰較大，對器件和工藝的要求較高。在Ka頻段頻音下，Ka用户終端的天線尺寸主要不是受制於天線增益，而是受制於抑制來自其它系統干擾的能力。

Ka波段概述

Ka波段最重要的一個特點就是頻帶較寬，C頻段的一般可用帶寬為500MHz～800MHz；Ku頻段的可用帶寬為500MHz～1000MHz；而Ka頻段的可用帶寬可達到3500MHz。因此，Ka波段衞星通信系統可為高速衞星通信、千兆比特級寬帶數字傳輸、高清晰度電視(HDTV)、衞星新聞採集(SNG)、VSAT業務、直接到户(DTH)業務及個人衞星通信等新業務提供一種嶄新的手段。Ka波段的缺點是雨衰較大，對器件和工藝的要求較高。在Ka波段頻率下，用户終端的天線尺寸主要不是受制於天線增益，而是受制於抑制其它系統干擾的能力。

早期試驗研究情況

1974年，美國NASA就曾在Fairchild(仙童公司)研製的ATS-6(應用技術衞星-6)上進行過20、30GHz連續波和多個單音的傳播試驗，開闢了Ka波段衞星傳播和通信試驗的先河。1976年，美國用一枚火箭同時發射了LES 8、9(林肯試驗衞星8、9)，它不僅與地球站進行了Ka波段的傳播試驗，而且還建立了衞星間Ka波段試驗鏈路。

日本在開發衞星通信的初期，就將目標定在了Ka波段。1977年4月，日本發射了與美國合作研製的ETS-II(工程試驗衞星II)，並於1977年12月發射了自己的實驗通信衞星CS-1(通信衞星-1)，該衞星載荷有6台Ka波段轉發器。接着，日本於1983年2月和8月分別發射了CS-2(2A、2B)商用衞星。其中2A位於同步軌道130°E，屬於工作星，2B作為備份星位於135°E。CS-2不但是日本的第一顆商用通信衞星，也是世界上第一顆搭載Ka波段轉發器的實用通信衞星，載有6台Ka波段轉發器，2台C波段轉發器，採用二次變頻體制，中頻頻率1.8GHz。後來，日本於1988年發射了CS-3A、3B兩顆衞星， Ka波段轉發器增加到l5台，採用單波束天線。其Ka波段轉發器的主要特點是：採用了與CS-2不同的一次變頻體制，直接進行上下行頻率轉換。

歐空局於l990年7月發射了Ka波段的奧林巴斯(OLYMPUS)通信衞星。意大利也較早地開發利用Ka波段衞星ITALSAT(意大利衞星)，該星為意大利第一顆國內通信衞星，於1991年發射，載有三類有效載荷，其中兩類用於Ka波段點對點通信，包括多波束系統和全球波束系統，多波束系統有6台Ka波段轉發器，具有0.9Gbit/s的數據傳輸能力。 ^[1] 

Ka波段衞星的起伏發展階段

20世紀末，隨着全球信息高速公路的發展，眾多的Ka波段計劃紛紛出台。l997年美國聯邦通信委員會(FCC)對13家公司發放了Ka波段衞星通信系統許可證。例如，洛克希德·馬丁公司的Astrolink系統，計劃用5顆地球靜止軌道衞星提供高數據速率通信業務，具有星間鏈路；Teledesic系統則計劃在1375公里的l2個圓軌道面上部署288顆衞星；另外就是勞拉公司的Cyberstar系統，由3顆衞星組成；HCI的Galaxy/Spaceway，由20顆星組成；GE美國公司的GE Star系統，由9顆衞星組成；晨星公司的Morning Star系統，由4顆衞星組成；而著名的移動衞星“銥 系統的星間鏈路也採用了Ka波段技術。此外，歐空局、日本、德國、加拿大、韓國等也都推出了自己的Ka波段計劃，如法國的SkyBridge；韓國為2000年奧林匹克運動會和2002年世界盃電視轉播而計劃發射的Koreasat-3(韓星-3)等。

與此同時，數據中繼衞星也開始大量應用Ka波段。因為太空中不存在雨衰，因此Ka波段是太空傳輸的最佳選擇之一。美國計劃從2000年開始使用的第二代跟蹤與數據中繼衞星。增加Ka波段星間鏈路和饋電鏈路，其最大反向數據率可達650Mbit/s。歐空局的計劃分為兩個部分，一個是“高級中繼和技術試驗衞星(ARTEMIS)”，另一個是數據中繼衞星(DRS)，在星間鏈路和饋電鏈路上都使用了Ka波段傳輸技術。日本發射了兩顆名為數據中繼測試衞星(DRTS)，其中在星間鏈路和饋電鏈路中使用了Ka波段轉發器技術，最大反向數據率可達300Mbit/s。

然而，因為本世紀初光纜對衞星通信產業所產生的巨大沖擊，使得Ka波段衞星的發展遇到前所未有的挫折。許多Ka波段項目被無限期地延長。

技術試驗衞星是用於衞星工程技術和空間應用技術的原理性或工程性試驗的人造地球衞星，對衞星技術的發展具有很大的推動作用。人們曾較為全面地開展了針對Ka波段衞星的試驗，著名的有美國的ACTS(先進通信技術衞星)和日本的WINDS衞星(寬帶互聯網工程試驗和演示衞星)。

ACTS是由Martin Astro. Space公司為美國宇航局(NASA)Lewis研究中心研製的，於1993年發射升空。ACTS採用了一系列新的技術，通過試驗論證成功後，將作為未來通信衞星的標準。這些新技術包括：跳變點波束、星上交換、雨衰補償等。 ^[2] 

一般的衞星大都是利用寬波束覆蓋，提供相對低的信號EIRP，因需要較大的地面接收天線和較大的上行鏈路天線，提高了系統的成本。而點波束卻能將射頻能量集中到具有很小覆蓋區域的窄波束中去，使衞星獲得很高的G/T和EIRP。ACTS採用的點波束有20dB的信號電平的改善，帶來的好處是系統中的地球站可用小尺寸天線獲得較高的流量。然而，點波束也存在不足，主要是固定指向點波束在照射較大通信覆蓋區域時，其數量必須大幅增加，再就是靈活性不夠，經營成本增加。跳變點波束則能很好地解決後一個問題。在ACTS衞星中，波束指向位置是基於人口密度、地區分集數據源的可用度與寬帶信道配合而選擇的。除利用開關矩陣的固定波束外，還有利用基帶處理器(BBP)的兩簇跳變點波束。不論是哪一種波束，工作時都能用某種開關進行控制，按用户的申請運作，對服務需要作出響應。另外，兩簇跳變點波束以均勻增益覆蓋夏威夷、阿拉斯加和整個半球。固定和跳變指向的波束都有0.3°的波束寬度；而可控反射面天線口徑較小，其波束寬度為1°。

ACTS有兩種衞星星上交換方式：一種是通過開關矩陣，另一種是通過具有存儲的基帶處理器。在開關矩陣(MSM)方式中，用它來連接三個固定波束或兩簇跳變波束，開關矩陣具有900MHz的帶寬，可提供彎管或動態交換。當用於動態交換時，幀長為1ms；對於低數據率終端要求較長靜止時間的應用，則幀長為32ms。在基帶處理器(BBP)方式中，用來控制兩簇跳變指向的波束之間的TDMA業務。每一跳變波束簇的最大吞吐量為110Mbit/s，每幀1728時隙。基帶處理器的一個特有的優點是，只有需要訪問的那些波束才被激活，即提供按需分配多址(DAMA)信道，從而使衞星資源得到最大利用。

行波管作為微波頻段應用最廣泛的電真空器件，具有其他器件無法比擬的優越性。慢波系統作為行波管中注-波互作用的核心器件，其性能直接決定了行波管的技術水平。在各種慢波結構中，螺旋線由於其色散特性平坦，工作頻帶寬，在行波管中得到了廣泛應用；但螺旋線行波管的輸出功率受到限制，特別是當行波管工作於短釐米和毫米波段時，由於螺旋線橫向尺寸極小，散熱困難，其功率容量小。耦合腔的耦合阻抗高，互作用效率高，卻是以減小帶寬為代價的。此外，毫米波耦合腔行波管尺寸很小，加工和裝配精度要求高，成品率低，成本高。因此，尋找能工作在毫米波段、性能優良的新型行波管慢波結構就顯得十分必要了。

在曲折波導慢波結構的基礎上，提出了一種新型的曲折波導慢波結構:曲折雙脊波導慢波結構，圖1：曲折雙脊波導慢波結構示意圖所示。該新型慢波結構是由雙脊波導沿電場面週期性彎曲成直角型曲折線或U形曲折線，形成慢波結構；再沿慢波結構的中軸對稱線的位置在波導壁上開圓形通孔，形成電子注通道。本文理論分析了Ka波段曲折雙脊波導慢波結構的高頻特性，並與Ansoft公司開發的HFSS軟件仿真結果進行了比較。在高頻特性分析的基礎上，利用三維粒子模擬軟件MAGIC 3D建立了曲折雙脊波導行波管模型，並對行波管中的注-波互作用進行了模擬分析；此外，在相同工作條件下，模擬了曲折波導行波管的注-波互作用，比較分析了兩種行波管的輸出功率，電子效率和增益等參量。

曲折雙脊波導慢波結構的高頻特性

在曲折雙脊波導慢波線中，當電磁波沿曲折路徑傳播時，由於波導的彎曲從而降低了電磁波的縱向等效相速度。電子注由電子槍發射出來，沿着電子注通道向前傳輸。當電子注經過波導的間隙部分時，由於沿波導傳輸的TE10模的橫向電場的作用，注中的電子會感受到加速或減速的力。根據電子注電壓和波導尺寸適當的設計，可以實現電磁波和電子注的同步，從而使得兩者之間的互作用得以持續的進行，實現了信號的放大。

注-波互作用的大信號模擬分析

根據之前高頻特性分析，曲折雙脊波導慢波結構的工作電壓在13.3 kV，並且能在近10 GHz的頻率範圍內滿足同步條件，實現有效的注-波互作用。在此基礎上，利用MAGIC 3D仿真軟件對曲折雙脊波導行波管中的注-波互作用進行模擬分析。

注-波互作用的研究主要包括三個方面的內容：在波場的作用下電子運動的變化;在電子激勵下波場運動的變化；波場和電子互相作用產生的總的結果。MAGIC 3D程序是從設置的邊界條件和初始條件開始，對初始態的大量電荷粒子統計平均求出空間電荷和電流，再由完整的Maxwell方程組計算出空間的電磁場，由Lorentz公式求出每個電荷粒子在電磁場作用下的加速度、速度以及由此產生的空間位移和速度變化，從而得到電荷粒子新的空間分佈和速度分佈。由此循環，跟蹤計算出大量電荷粒子的運動軌跡和電磁場的時間演化過程，從而模擬出注-波互作用的整個過程，從中分析出電子注、高頻場的變化情況。最後對這些微觀電荷粒子的有關物理量進行統計平均，得到宏觀系統的性質和運動規律，從這些模擬結果中可以分析出注-波互作用的總的結果。

研究結論

提出了一種新型慢波結構-曲折雙脊波導慢波結構，從理論和仿真模擬上分析慢波結構的高頻特性，並在此基礎上設計了工作在Ka波段的曲折雙脊波導慢波結構。利用三維粒子模擬軟件MAGIC3D建立了曲折雙脊波導行波管模型，並對行波管中的注-波互作用進行了模擬分析。此外，在相同工作條件下，模擬了曲折波導行波管的注-波互作用，比較分析了兩種行波管的輸出功率、電子效率和增益等參量。從中發現，在行波管增益峯值相近的情況下，曲折雙脊波導行波管的3 dB增益帶寬為22%，其帶寬性能更好；同時，新型行波管的電子效率峯值接近9%，具有更高的效率。 ^[3]