引言

Q/V频段是毫米波频段中最适合开展卫星通信业务的频段，该频段的通信载荷已开始逐步进入商业卫星市场。Q/V载荷是高通量(HTS)通信卫星和甚高通量(VHTS)通信卫星关口站主要使用的载荷，代表着HTS卫星发展的主要方向，也是国际航天在HTS卫星研制上的重要方向。虽然机械加工向超精密方向发展，超精密加工技术目前已进入纳米加工时代，加工精度可达0．025μm，但资料显示，国内对于Q/V频段馈源制造技术处于研究阶段，现有工艺设备不能完全满足Q/V频段天线馈源组件差模耦合器产品精度要求，加工工艺方面暂无其它馈源类产品可以继承或借鉴。

1.Q/V频段通信概述

Q / V频段位于高频频谱的30 ~ 30 ~ 50 GHz范围内。该频段工作的电磁波属于q波段30 ~ 50 ~ 75 GHz和v波段50 ~ 75 GHz的毫米波类别，这是卫星通信领域将要开发的频谱资源。

第一个优点是Q / V频段比传统卫星通信频段波长较短(4 ~ 9.1mm)，在相同增益要求下实现机载充电设备的小、轻、高密度设计更容易，从而节省了机载质量和空间资源，降低了系统成本。

第二是Q / V波段波束窄、增益高，有利于高吞吐量卫星系统用户连接中的多波束设计，实现更高频率复用系数，提高容量；小侧影、定向效果强、窃听概率低、保密性高。

第三是Q/V频带的可用带宽超过10 GHz，远远超过c、Ku和Ka等传统频带，有利于宽带通信服务的发展；并且由于频带高，干扰源少，信号传输更加稳定可靠。

第四是电离层闪烁和多径衰落与UHF和SHF频段相比，对Q /V频段电磁波影响不大。尽管大气电离、折射率变化、尘埃和地球附近/低核爆炸污染造成短期衰减，但很快就可以恢复通信。

2.Q/V频段HTS发展现状

Q / V频带是毫米波频带(30-300 GHz)下卫星通信服务的最佳频带，该频带的通信负荷逐渐进入商业卫星市场。结合大型国际航空航天公司开发的现有产品和毫米波传播的“衰减高峰”，分别为47.2-50.2 GHz和50.4-51.4 GHz；通常被选为馈线连接(网关站卫星)的上行链路；一般选择37.5-39.5 GHz和40.5-42.5 GHz进行下行链路。2016年3月，欧洲通信卫星组织作为首批商业运营者之一，在其卫星eutelsat 65 westa上测试了Q/V磁带通信。Eutelsat与劳拉空间系统(SSL)合作，确认实验有效载荷已成功转移到EHF。

该有效载荷用于分析40-50 GHz q/v波段的潜在性能，确定它是否是推进Terabit卫星宽带计划的关键。2018年11月成功的印度空间研究组织(ISRO)gsat-29号卫星配备了Ka和Ku波段的HTS通信转发器。GSAT-29还具有用于高频波段技术验证的测试的Q / V波段载荷。

3.QV频段卫星通信关键技术

3.1波导传输线损耗分析

一般而言，空心导体中的损耗包括回流损耗、介质损耗和导体损耗。回流衰减通常由广义散射参数中的反射系数来表示，该系数指示入射电磁波的入射率，通常低于0.1%。介质损耗由导体中填充的介质材料确定。

卫星使用的中空导体系统的介质是空气，介质损耗可以忽略。导体损耗是受电磁波传输频率、空心导体表面材料和空心导体表面粗糙度影响的空心导体损耗的主要来源。假设空心导体填充了理想介质，则可通过表面电流Js计算电磁波的损耗性能。

该技术中，导电率高的金属材料通常涂在导体表面，以提高导电率，减少导体损耗。金银的电导率非常高。在工业中，金或银被用作涂层来提高波导的导电性，厚度一般为3 μm或7 μ m。从理论上讲，上部涂层厚度被设计为皮肤深度，可保证高导电涂层中电磁波的传输。蒙皮深度取决于频率，因此在选择频率因子层厚度时应考虑客观因素。根据技术经验，电镀一方面影响金属表面粗糙度，当涂层达到一定厚度时，涂层厚度影响粗糙度，粗糙度实际上对电磁损耗影响很大；另一方面，涂层密度也影响电镀过程中的电磁损耗。因此，建议选择2 ~ 3皮肤深度的厚度作为涂层厚度的参考。

3.2N-active模式

该方案需要使用智能网关多样性方案。智能网关站的多样性方案是指利用几个地面网关站通过地面网络连接起来，形成一个能够灵活地从电源连接中传递信息的网络，能够通过多样性技术抵御输入站与卫星之间的连接衰减。该方案可以通过时域或频域复用实现。无论是频分复用还是时分复用，都需要调整机上的有效负载，并采用频分或时分转发策略。

对地面段而言，处理其他载体的复杂性是有限的，但船上货物的复杂性随着可用网关站的数目而增加。这将导致卫星转发器数量增加，这是限制有效负荷的一个限制参数。此外，中继站数目的增加将导致载波带宽的减少和相关损失的增加。当多个网关站同时为一个用户终端提供服务时，所需通道的数量和船上有效负载的数量都会增加。该系统是通过在每个上行链路和下行链路之间路由多个访问突发帧的时间分布来实现的。任何上行链路和下行链路对之间的内部连接都可以通过集成的高速微波交换机阵列实现。

卫星在一个帧周期内存储包含上行链路和下行链路之间连接关系的通信矩阵。此矩阵关系应定期更新。从船上有效负荷的角度来看，除了微波开关阵列外，该方案无需增加频率复用方法等应答机的数量。

3.3智能网关分集技术

卫星通信系统中常用的ULPC技术和ACM技术不足以充分解决Q / V频段卫星通信系统馈线连接的抑制作用。当降雨强度和卫星高度达到一定值时，会导致衰减超过20 dB，直接导致高频波段通信链路的传输中断。因此采用了站点多样性技术，原来的站点多样性方案具有简单的体系结构。

卫星射线根据复盖范围划分为不同的网关进行管理，每条射线由一个网关进行管理和操作。冗馀是通过为每个网关站提供备份网关来实现的，以确保每束光线都能随时接收正常的网关服务。但是，这意味着重复的质量和潜在成本，对馈线连接只能进行有限的信号补偿，不能有效地支持整个系统的链路可用性。

因此，智能网关技术正在逐渐发展，以合理的成本提高电力连接的可用性。考虑到传统弧形宽带多队卫星的设计，实现网关之间的协作，考虑到不同的系统体系结构，使网络和无线电频率具有很大的灵活性。采用两种主要体系结构设计智能网关多样性方案:(1) N + 0:第一种设计是为每个用户光束提供不同网关的载体，这些载体可以保持高可用性，而不会显着影响负载结构。(2) N+P:第二个设计是基于网关启用额外容量来补偿网关通道过度阻尼所造成的容量损失。

3.4天线驱动单元设计

天线驱动单元包括直流PWM伺服控制器、环路板、直流驱动电机(包括转速计和制动器)、控制单元和安全保护等。变频调速柜安装在室内，机柜设计如图2所示。安全控制和保护单元的急停开关、限位开关和电机安装在室外。方位角和斜率均由两个电机驱动，两个电机的转矩位移用于消除传输过程中的变速器连锁反应。安全保护单元由中共内部程序逻辑控制。

该控制逻辑采用应硕PCC可编程运动控制，并根据需要选择主机计算机、数字输入输出模块、模拟输入输出模块和角度编码模块。

SPS输入包括:天线机械保护开关状态、电气保护状态和控制指令等。可编程控制器输出包括:三相整流电源、直流电源、制动电源、电机电源、插块电源等，以及功率放大器的运行和关闭控制。通过编程可编程运动控制器，可以实现各种天线保护装置的锁定流程和效果。驱动器托盘有两种工作模式:本地控制和远程控制。在正常工作模式下，远程控制模式用于完成ACU发出的启动、打开、操作、连接和断开锁的命令。该控制方法用于机器的设置和维护。环路板主要完成了两个电机的转矩分布和极化功能，从而接管了电动间隙。

3.5星载接收机方面

当前，以Terez-Lenya航空航天公司(TAS)和劳拉空间系统公司(Laura Space Systems Company)为代表，对Q / V频段外国卫星接收器的研究和开发重点是应用单片微波集成电路(MMIC)技术，促进小型化、轻量级和高一致性，并能有效满足对高密度、轻量级卫星载荷新卫星功能的需求。一些大学实验室、商业企业和研究机构利用镓(GaAs)、互补金属氧化物半导体(CMOS)、伪调制掺杂异质结场效应晶体管(PHEMT)等工艺开发了Q / V波段接收机芯片模块。性能不断提高，工作频率不断提高，这将是今后系统大规模应用的关键。

结束语

Q/V频带是未来高性能卫星通信系统(VHTS)要使用的主要频率频带。其低成本和终端的小型化将使其在全球宽带卫星通信系统的建设和运行以及与地面通信系统的整合和应用中占有越来越大的份额。国外的许多LEO卫星星座已开始建设Q/V频段通信系统，并进行了QV升降代表的测试系统的建设，以便提前研究Q/V频段随后的大规模应用的关键技术。

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