專利名稱：衛(wèi)星通信功率管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明一般地涉及地球衛(wèi)星，并尤其涉及為地球衛(wèi)星的通信有效負(fù)載提供發(fā)射功率控制的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的背景當(dāng)由通信衛(wèi)星組成的群集繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，個(gè)體衛(wèi)星會(huì)經(jīng)過(guò)通信用戶人口可能很稠密的區(qū)域，如城市中心，也會(huì)經(jīng)過(guò)另外一些區(qū)域，如海洋、沙漠和山地，那里的人口非常稀薄。為這種操作進(jìn)行優(yōu)化的通信衛(wèi)星將要求一個(gè)峰值負(fù)載來(lái)平均分配通信負(fù)載容量，在長(zhǎng)時(shí)間的軌道周期內(nèi)消耗最低的功率。另外，低軌道地球衛(wèi)星的軌道隨陸地塊的移動(dòng)而移動(dòng)，這樣在幾天或更長(zhǎng)的重復(fù)周期內(nèi)，功率峰值數(shù)目會(huì)有非常大的變化。
一個(gè)問(wèn)題就此產(chǎn)生，這個(gè)問(wèn)題涉及怎樣有效地提供高峰值負(fù)載以平均通信負(fù)載容量。
這樣一個(gè)通信衛(wèi)星的必需的有效負(fù)載包括一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，它為全雙工通信而配置。通信有效負(fù)載包括一個(gè)或幾個(gè)這樣的轉(zhuǎn)發(fā)器，它們有至少一個(gè)天線用于接收地球表面?zhèn)鱽?lái)的信號(hào)，有低噪聲放大器、頻率轉(zhuǎn)換器、放大器、高功率放大器和至少一個(gè)發(fā)射天線。
如果在每個(gè)時(shí)刻都提供高的通信容量，則支持該容量的電力資源也必須隨時(shí)提供。為了在這樣一個(gè)衛(wèi)星上提供電力資源，基于燃料的發(fā)電機(jī)，如核反應(yīng)堆，或放射加熱的熱電偶可以被用來(lái)產(chǎn)生相對(duì)恒定的電流供通信有效負(fù)載使用。剩余的電能一般被存貯在電池中供電力喪失時(shí)使用。太陽(yáng)能陣列或電池系統(tǒng)也可做為替換電能使用。
對(duì)于太陽(yáng)能陣列的情形，當(dāng)發(fā)生日蝕時(shí)，能量的產(chǎn)生會(huì)周期性被打斷，這時(shí)電池被部分放電。在大多數(shù)情況下，電池為直流到直流的變壓器供電，然后給放大器和轉(zhuǎn)發(fā)器的其它有源設(shè)備提供需要的電壓和電流。
一個(gè)典型的同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將功率系統(tǒng)按有太陽(yáng)和日蝕兩種操作條件下最大的峰值功率輸出來(lái)仔細(xì)考慮設(shè)計(jì)。但是，使用這種方法，在低功耗階段不用的功率將被浪費(fèi)掉。另外，在任何時(shí)隙都具有提供最大功率容量的能力，將增加衛(wèi)星的重量、成本和復(fù)雜度，并進(jìn)而增加包括運(yùn)載火箭在內(nèi)的整個(gè)通信系統(tǒng)的成本。
本發(fā)明概述上述及一些其它問(wèn)題的解決和本發(fā)明下列目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都?xì)w結(jié)到一個(gè)衛(wèi)星功率管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)為非同步地球軌道衛(wèi)星的變化負(fù)載電信業(yè)務(wù)提供有效的通信能源供給。
本發(fā)明的主旨是使應(yīng)用一較低功率衛(wèi)星成為可能，該衛(wèi)星的功率低于任何時(shí)候都為高通信容量操作提供功率所需的功率能量。這使得衛(wèi)星的尺寸和重量都得到減少，從而降低了衛(wèi)星和運(yùn)載火箭的成本。本發(fā)明進(jìn)一步提供了實(shí)時(shí)檢測(cè)通信需求的機(jī)制以及使用該信息改變通信容量和衛(wèi)星電池釋放功率的控制器。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)衛(wèi)星功率管理系統(tǒng)，它在衛(wèi)星經(jīng)過(guò)大的用戶群時(shí)能夠?yàn)橥ㄐ盘峁└吖β?，而在由于低的用戶需求或沒(méi)有用戶需求而需要低功率時(shí)，提供低的功率供給。
本發(fā)明的進(jìn)一步目標(biāo)是提供一個(gè)衛(wèi)星通信有效負(fù)載，它具有有效的峰值用以平均功率消耗比例，從而降低整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的成本。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供一個(gè)具有有效的可變功率放大和有效的可變直流到直流變壓器的有源發(fā)射相控陣列，和一個(gè)可以檢測(cè)并控制直流到直流變壓器的控制器，它們組合在一起提供具有高峰值的衛(wèi)星有效負(fù)載，用來(lái)平均功率消耗比例。
本發(fā)明的更進(jìn)一步的目標(biāo)是提供一項(xiàng)技術(shù)，它產(chǎn)生很寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的線性放大，從而實(shí)現(xiàn)成比例的功率消耗。
本發(fā)明給出一種操作通信信號(hào)發(fā)射機(jī)的方法和應(yīng)用這種方法的裝置。這個(gè)方法包括以下步驟，接收一個(gè)通信信號(hào)；檢測(cè)收到的通信信號(hào)的強(qiáng)度，這個(gè)信號(hào)強(qiáng)度可表明收到的功率和當(dāng)前用戶的需求；依據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度，調(diào)整提供通信信號(hào)發(fā)射機(jī)放大器所需運(yùn)作功率的電源輸出，使得當(dāng)檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)提高電源的輸出，當(dāng)檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度減弱時(shí)降低電源的輸出；使用通信信號(hào)發(fā)射機(jī)放大器放大收到的通信信號(hào)。檢測(cè)步驟可以包括從接收到的通信信號(hào)中除去噪聲成分。
調(diào)整步驟包括以下幾步，將脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比設(shè)置成至少為檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度的函數(shù)；使用脈沖寬度調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)將初始直流信號(hào)源斬波為交流信號(hào)；使用反相脈沖寬度調(diào)制信號(hào)將交流信號(hào)作同步整流，于是從電源得到一直流輸出，提供通信信號(hào)發(fā)射機(jī)放大器所需的運(yùn)作功率。
在本發(fā)明在當(dāng)前的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，開關(guān)由一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)組成，它連接在初始直流電源和同步整流器之間。在該實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)步驟包括使用一個(gè)自舉電容器來(lái)增強(qiáng)連到場(chǎng)效應(yīng)管柵極的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，這個(gè)電容器連接在被同步整流的交流信號(hào)和一個(gè)預(yù)先確定的偏置電壓之間。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明以上所述性能以及本發(fā)明的其它性能在隨后的“發(fā)明詳細(xì)說(shuō)明”中更清楚的給以敘述，這些內(nèi)容的閱讀需參照附圖，其中

圖1是一個(gè)適合實(shí)踐本發(fā)明的基于衛(wèi)星的通信系統(tǒng)整體框圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明的發(fā)射機(jī)放大器功率控制系統(tǒng)的框圖；圖3是常規(guī)的衛(wèi)星直流/直流變壓器的框圖；圖4是當(dāng)前實(shí)踐本發(fā)明的一個(gè)衛(wèi)星直流/直流變壓器優(yōu)化實(shí)施例的框圖；圖5是圖4的衛(wèi)星直流/直流變壓器的功率傳輸部分的示意圖；圖6是圖5中所示的功率傳輸部分的更詳細(xì)的示意圖。
本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明圖1用于說(shuō)明適合于本發(fā)明的一種通信衛(wèi)星1a有效負(fù)載的基本模型。更具體地，圖1說(shuō)明了一個(gè)被配置成全雙工通信的典型的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器1b。通信有效負(fù)載包括一個(gè)或幾個(gè)這樣的轉(zhuǎn)發(fā)器，每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器有多個(gè)天線，用于接收來(lái)自地球表面的信號(hào)，低噪聲放大器，頻率偏移或轉(zhuǎn)換器4，它由一個(gè)本地晶振和一個(gè)混合器組成，之后是放大器5，高功率放大器6和發(fā)射天線7。濾波器8也被包含在轉(zhuǎn)發(fā)器中，用于使需要的帶內(nèi)信號(hào)通過(guò)，而濾除不要的帶外噪聲信號(hào)。一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器接收來(lái)自用戶終端9a的信號(hào)，將收到的用戶信號(hào)做頻率搬移，并將頻率搬移后的信號(hào)送到一個(gè)地面站，例如連到公共交換電話網(wǎng)(PSTN)的節(jié)點(diǎn)9b。另一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器接收一個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)9b的信號(hào)，將接收信號(hào)做頻率搬移，再將頻率搬移后的信號(hào)發(fā)送給用戶終端9b。使用這種方式，在用戶終端和連到公共交換電話網(wǎng)PSTN的終端之間建立全雙工的通信路徑(話音和/或數(shù)據(jù))。
舉例說(shuō)明，用戶終端9a(固定或移動(dòng))能夠以全雙工模式操作，并且能夠通過(guò)例如，L-段射頻(RF)鏈路(上行鏈路)和S段射頻鏈路(下行鏈路)，分別地通過(guò)返回和向前衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行通信。上行L段射頻(RF)鏈路可以在1.61GHz到1.6265GHz的頻率范圍內(nèi)操作帶寬16.5MHz，最好按照擴(kuò)展頻譜技術(shù)用語(yǔ)音信號(hào)和/或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。下行S段射頻鏈路可以在2.4835GHz到2.5GHz的頻率范圍內(nèi)操作帶寬16.5MHz。節(jié)點(diǎn)9b可以使用例如一個(gè)全雙工C段RF鏈路，通過(guò)接收天線2b和發(fā)射天線7a與衛(wèi)星1a通信，此C段射頻鏈路可在中心頻率為5GHz的一個(gè)頻率段上操作。C段RF鏈路雙向傳輸通信饋電鏈路，同時(shí)也傳送衛(wèi)星命令(前向鏈路)和接收遙測(cè)信息(返回鏈路)。L段和S段衛(wèi)星天線2a和7b，分別是多波束(最好16個(gè)波束)天線，它們?cè)谙嚓P(guān)的業(yè)務(wù)區(qū)域內(nèi)提供地球覆蓋。L段和S段的衛(wèi)星天線2a和7b最好彼此一致。舉一例，對(duì)于一給定的衛(wèi)星可以進(jìn)行大約3000個(gè)全雙工通信。兩個(gè)和更多的衛(wèi)星1a可以各自在一個(gè)給定用戶終端9a和網(wǎng)點(diǎn)9b中的一個(gè)之間采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)傳送相同的通信。于是這樣的操作模式能夠在相應(yīng)的接收器上提供不同的組合，這將得到更強(qiáng)的抵抗衰落的能力并使軟切換過(guò)程很容易實(shí)現(xiàn)。
我們指出，所有在這里描述的頻率、帶寬及其它只代表一個(gè)特定的系統(tǒng)。在不改變討論的原理的情況下，其它的頻率和頻帶也可以被應(yīng)用。如僅舉的一例中，節(jié)點(diǎn)9b和衛(wèi)星1a之間的饋送鏈路可以使用C段外的其它頻段，如Ku或Ka段。
參考圖2給出本發(fā)明在當(dāng)前優(yōu)選的一個(gè)實(shí)施例的框圖表示。衛(wèi)星通信有效負(fù)載10包括一個(gè)接收天線12，它用于接收來(lái)自一個(gè)或多個(gè)地面發(fā)射機(jī)(用戶終端9a或網(wǎng)點(diǎn)9b)的上行鏈路通信信號(hào)。接收到的信號(hào)如圖1所示被處理后送到放大器14，然后送到發(fā)射天線16，由它發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)地面接收機(jī)(用戶終端9a或網(wǎng)點(diǎn)9b)。接收天線12和發(fā)射天線16最好由天線元陣列組成。這樣，放大器14可以實(shí)際上代表發(fā)射放大器的多元組合，其中每個(gè)的輸出連接到相控陣列發(fā)射機(jī)天線的一個(gè)天線元上。發(fā)射天線16的一個(gè)適合的實(shí)施例在普遍知道的美國(guó)專利號(hào)5,283,587中給出描述，該專利發(fā)表于1994年2月1日，題目為“有源發(fā)射相控陣列天線”，Edward Hirshfield等人發(fā)明。公布這項(xiàng)美國(guó)發(fā)明是將它完整地在這里引入?yún)⒖?。其它?duì)于天線以及對(duì)于整個(gè)通信有效負(fù)載適合的實(shí)施例在美國(guó)的專利申請(qǐng)序列號(hào)08/060,207中給出描述，該發(fā)明在1993年5月7日歸檔，題目為“移動(dòng)通信衛(wèi)星有效負(fù)載”，由Fdward Hirefield等人發(fā)明。這里還引入美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)08/189,111做為參考，該發(fā)明在1994年1月31歸檔，題目為“幅度遞減的有源發(fā)射相控陣列天線”，由FdwardHirefield發(fā)明。
依據(jù)本發(fā)明，通信有效負(fù)載10包括一個(gè)增加通信有效負(fù)載的效率的機(jī)制，這是通過(guò)檢測(cè)通信需求，并應(yīng)用該信息改變從衛(wèi)星供電系統(tǒng)提取的功率而實(shí)現(xiàn)的。出于這種考慮，這里提供了信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量模塊18，它的輸入連接到接收天線12的輸出。這一點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度或功率表明該衛(wèi)星的全部用戶需求(這里交替使用接收功率和接收信號(hào)強(qiáng)度)。檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度或功率被提供到一個(gè)控制器20那里，比如是一個(gè)中央處理單元(CPU)，控制器產(chǎn)生多個(gè)數(shù)字控制信號(hào)20a以控制直流/直流變壓器22。直流/直流變壓器通過(guò)衛(wèi)星電力總線22a(VIN)連接到遠(yuǎn)程連接的衛(wèi)星電池24和遠(yuǎn)程連接的太陽(yáng)能陣列26。電池的勢(shì)能以UBAT表示，而由太陽(yáng)能陣列26產(chǎn)生的勢(shì)能以VSOL表示。直流/直流變壓器受控于數(shù)字輸入20a，來(lái)改變?cè)撟儔浩?2的輸出。變壓器22的輸出電壓以VO表示。直流/直流變壓器22的輸出用于以下面的方式向放大器14供電，即在低用戶需求階段，提供低電壓，而在高用戶需求時(shí)提供高一些的電壓。通過(guò)改變供給放大器14的電壓，放大器的功耗成為需求的函數(shù)。下例只為了說(shuō)明，VO在2V直流電壓和8V直流電壓間變化。
依照本發(fā)明的另一個(gè)觀點(diǎn)，如以下詳述，提供了一個(gè)改進(jìn)的直流/直流變壓器22，它解決了當(dāng)變壓器必須有很大的壓降時(shí)，效率降低的問(wèn)題。即，當(dāng)減小變壓器22的輸出電壓時(shí)，VO和VIN之間的電壓差必須在變壓器22兩端降下。在常規(guī)的直流/直流變壓器設(shè)計(jì)中，這將降低變壓器的效率。任何這種變壓器效率的降低都將會(huì)抵效在低用戶需求期間，使輸出放大器14工作在降低功率電平而提供的效率增加。
應(yīng)注意，提取功率與其輸出功率成正比變化的放大器是已知的，如C類或A-B類放大器。這些放大器在把消耗的功率與產(chǎn)生的信號(hào)功率之比做為唯一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可看作能有效地進(jìn)行操作。然而，同時(shí)支持多個(gè)信號(hào)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)要求放大器工作在它們的線性區(qū)域，并能夠產(chǎn)生低失真和低的多個(gè)信號(hào)之間的干擾。C類放大器是非線性的，因?yàn)樗鼈兏淖?、截?cái)嗷蛳拗平?jīng)過(guò)它們的信號(hào)。A-B類放大器可以被做為線性，但它們?cè)谛盘?hào)功率接近放大器的最大功率值時(shí)也會(huì)使信號(hào)失真。
用另一種方法，推-拉(push-pull)放大器是線性的，并消耗功率與信號(hào)功率成正比變化。但是，在當(dāng)前的半導(dǎo)體器件技術(shù)中，使用推-拉放大器還不現(xiàn)實(shí)。這是由于相配的，可用負(fù)相和正相電源供電(如PNP和NPN晶體管)的有效的固態(tài)器件，以及能夠在衛(wèi)星系統(tǒng)中典型使用的微波頻段上工作的有效的固態(tài)裝置還不存在。
在一個(gè)目前優(yōu)選的本發(fā)明的實(shí)施例中，場(chǎng)效應(yīng)管(FET)被用于高功率放大器階段。場(chǎng)效應(yīng)管FET在一個(gè)很寬的初始供電電壓范圍內(nèi)基本上保持線性。例如，場(chǎng)效應(yīng)管能夠在2到8V的供電電壓范圍內(nèi)，以接近于常數(shù)的增益工作。在這種情況下，如果2V被用作供電電壓VO，能夠產(chǎn)生的最大放大功率即是最小值。相反，當(dāng)VO設(shè)為8伏時(shí)，最大放大功率即是最大值。最大信號(hào)功率的范圍在這個(gè)例子中為(8/2)2＝16(12dB)。放大器14消耗的功率也以相似的方式變化。
因此，本發(fā)明教授一種信號(hào)放大器(最好是場(chǎng)效應(yīng)管)的應(yīng)用，它在一個(gè)很寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)以與需求大致成比例的功耗工作在線性方式下(名義上A類或A-類A-B類是這樣)。
通信需求最好在轉(zhuǎn)發(fā)器的低噪聲放大器部分3(參見圖1)被檢測(cè)。信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量模塊18包括一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)器18a和一個(gè)模擬到數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器，后者送數(shù)字信號(hào)18b到控制器20。信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)器可能只是一個(gè)二極管檢測(cè)器。信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)器18a也可以是一個(gè)基于噪聲的檢測(cè)器，它輸出一個(gè)接收噪聲成分已被除去的信號(hào)。一種適合的實(shí)現(xiàn)基于噪聲檢測(cè)器的技術(shù)是使用兩個(gè)二極管檢測(cè)器。第一個(gè)二極管檢測(cè)器檢測(cè)帶外的接收信號(hào)，第二個(gè)二極管檢測(cè)器放在第一個(gè)濾波器8或圖1中的低噪聲放大器3之后，檢測(cè)帶內(nèi)接收信號(hào)。然后一個(gè)差分放大器可被用于輸出一個(gè)代表帶外和帶內(nèi)接收信號(hào)差別的信號(hào)，于是，該信號(hào)也可代表接收到的全部用戶信號(hào)集合的功率電平?？刂破?0使用這個(gè)數(shù)字接收信號(hào)強(qiáng)度信息計(jì)算出一個(gè)值，送到數(shù)字信號(hào)鏈路20a上，命令直流/直流變壓器22產(chǎn)生一特定電壓VO，提供給場(chǎng)效應(yīng)管放大器14。控制器20通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件，使得能夠計(jì)入控制過(guò)程中有必要保證操作穩(wěn)定性的任何細(xì)微變化，同時(shí)還要提供必需的有效性。
對(duì)于這一點(diǎn)，控制器20可以利用檢測(cè)到的接收功率和對(duì)應(yīng)的發(fā)射機(jī)輸出功率之間的線性關(guān)系。控制器可以進(jìn)一步在確定VO和發(fā)射機(jī)14的輸出功率時(shí)，考慮放大器的環(huán)路增益(檢測(cè)到的輸入功率)和環(huán)路濾波特性(檢測(cè)到輸入功率變化的最大速率)?？刂破?0可以有選擇為VO確定一個(gè)值，該值是基于以經(jīng)需求的一個(gè)預(yù)測(cè)需求的函數(shù)。另一種方法中，當(dāng)時(shí)的時(shí)間和地理位置可以被考慮在下面一段時(shí)間如，5分鐘之內(nèi)預(yù)測(cè)用戶需求的期望值。用這種方式，當(dāng)在白天的若干小時(shí)內(nèi)接近一個(gè)大的都市地區(qū)時(shí)，VO值可以設(shè)為提供全部發(fā)射機(jī)功率。依照來(lái)自地面控制器在遙測(cè)鏈路上接收的信息，可以部分或完全控制發(fā)射機(jī)放大器14的輸出功率電平，這種方式也被包含在本發(fā)明范圍內(nèi)。
如前所述，本發(fā)明的另一觀點(diǎn)是使用直流/直流變壓器，以有效地產(chǎn)生變化的供給電壓VO和由之產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)高功率場(chǎng)效應(yīng)管放大器14所必需的重要功率。在這點(diǎn)上，變化的電壓是通過(guò)改變脈沖串的接通時(shí)間百分率產(chǎn)生的，該脈沖串用于驅(qū)動(dòng)直流/直流變壓器22內(nèi)部的斬波器和積分濾波器。
圖3用于說(shuō)明一個(gè)常規(guī)的衛(wèi)星直流/直流變壓器。由衛(wèi)星的電池或太陽(yáng)能陣列提供的直流電壓，在變化占空比的多諧振蕩器控制下32被模塊30斬波，變成交流信號(hào)。交流信號(hào)經(jīng)過(guò)模塊34的整流和模塊36的濾波后提供輸出電壓。輸出電壓被檢測(cè)到，并由比較器40將它與一固定電壓參考值38做比較。比較器40的輸出表明在輸出電壓的對(duì)于參考電壓在一個(gè)很小范圍內(nèi)有偏離。這個(gè)信號(hào)用于控制多諧振蕩器32的占空因子或周期，從而提供一個(gè)閉合環(huán)路控制系統(tǒng)，將輸出電壓維持在由固定參考電壓38指定的預(yù)定電壓電平上。
這樣的變壓器在輸出電壓下降時(shí)效率會(huì)變低。這主要是由于使用了二極管整流器34來(lái)整流被斬波的(交流)電壓的緣故。這種二極管具有至少0.6伏的典型壓降。當(dāng)需要這種變壓器產(chǎn)生低電壓時(shí)，(例如2伏)二極管上0.6伏的壓降導(dǎo)致基本損耗為1-212.6或23％。如果，舉例來(lái)說(shuō)明，圖2中的高功率放大器14需要1000瓦功率，由于整流二極管34的損耗，必須額外產(chǎn)生230瓦功率。
為了避免這種功率浪費(fèi)，以及隨之而來(lái)的效率降低，本發(fā)明的直流/直流變壓器采用了功率場(chǎng)效應(yīng)管FET(見圖4模塊42)，通過(guò)反相器32a的輸出，它和斬波信號(hào)同步開啟。在圖4中，驅(qū)動(dòng)斬波器的信號(hào)被稱為脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，而驅(qū)動(dòng)同步整流器42的反相信號(hào)被稱為PWM*信號(hào)。許多功率場(chǎng)效應(yīng)管FET表現(xiàn)出低電阻特性(例如當(dāng)幾個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管并聯(lián)時(shí)電阻值低至幾個(gè)毫歐姆)。于是使用場(chǎng)效應(yīng)管FET來(lái)組成同步整流器42，將效率的損耗從上面指出的二極管情形的23％降到低于5％。
必須認(rèn)識(shí)到，對(duì)反相器32a產(chǎn)生PWM*信號(hào)的敘述是一種簡(jiǎn)化。在實(shí)際中，要將適當(dāng)?shù)臅r(shí)延插入到PWM或PWM*信號(hào)的接通過(guò)程中，以確保兩個(gè)信號(hào)不同時(shí)作用。這會(huì)防止S1和S2同時(shí)導(dǎo)通。對(duì)PWM和PWM*時(shí)間的控制也用于控制每個(gè)MOSFET開關(guān)內(nèi)部無(wú)源體源漏二極管。
同樣在圖4中表示出的是數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，它為比較器40提供很寬范圍內(nèi)的參考電壓。數(shù)模轉(zhuǎn)換器44的輸入連接到圖2中控制器20的數(shù)字信號(hào)線20a輸出端。
現(xiàn)在參見圖5，它表明本發(fā)明的直流/直流變壓器22中功率傳輸部分的一個(gè)簡(jiǎn)化原理圖。輸入直流電壓(VIN)被稱為開關(guān)1(S1)的場(chǎng)效應(yīng)管斬波。
S1的柵極被連接到PWM信號(hào)。這種安排被稱為非隔離補(bǔ)償式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在圖5中，一個(gè)常規(guī)的反向受阻二極管被一個(gè)由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的功率N道MOSFET(S2)替代。于是S2起到圖4中同步整流器42的作用。在電感L和電容C的作用下，得到的輸出直流電壓被平滑并濾波，然后提供給放大器14電源電壓VO。
圖6是一個(gè)更詳細(xì)的原理圖，它說(shuō)明依照本發(fā)明使用5自舉電容CB，來(lái)產(chǎn)生反向開關(guān)S1(S1)增強(qiáng)電壓。在這種情形下，一個(gè)偏電勢(shì)VB(例如+15伏)通過(guò)一個(gè)絕緣二極管D被施加到一個(gè)結(jié)點(diǎn)，該結(jié)點(diǎn)被連接到CB和由T1和T2組成的達(dá)林頓晶體管對(duì)集電器。達(dá)林頓對(duì)的基極由PNM信號(hào)經(jīng)由緩沖器B驅(qū)動(dòng)。經(jīng)緩沖的PWM信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)N道MOSFET開關(guān)S3的柵極。達(dá)林頓對(duì)的射極和S3的源極被連接到反向開關(guān)S1的柵極。其中，CB被連接在未調(diào)整的直流電壓和偏電勢(shì)VB之間，增強(qiáng)的柵極驅(qū)動(dòng)提供給反向開關(guān)S1。在實(shí)際中，變壓器22由5個(gè)互相交叉的級(jí)別組成，其中每個(gè)具有如圖6所示的結(jié)構(gòu)。
在操作中，PWM信號(hào)有效時(shí)，打開開關(guān)S3和由T1和T2組成的達(dá)林頓對(duì)。達(dá)林頓對(duì)起到與連在S3的源極和VB之間的上拉電阻相似的作用，從而增加?xùn)艠O的驅(qū)動(dòng)和減小反向開關(guān)S1的開關(guān)時(shí)間。
本項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于與常規(guī)的漂移供電相比較，它具有更高的操作效率。這項(xiàng)技術(shù)也是很經(jīng)濟(jì)的，同時(shí)適合應(yīng)用于混合電路。直流/直流變壓器借助該電路取得的效率在低功率和低電壓(例2伏)時(shí)大于82％，在最大電壓(例如8伏)和最大功率(例如1300瓦)時(shí)大于93％。
當(dāng)本發(fā)明和美國(guó)專利5,283,587中公開的有源發(fā)射相控陣列結(jié)合在一起使用時(shí)，可以提供衛(wèi)星整體有效負(fù)載效率的非常顯著的增加。這一點(diǎn)是確切的，因?yàn)橹辽賹?duì)于美國(guó)專利5,283,587，圖4中放大器40和42的運(yùn)作功率，相對(duì)于相控陣列發(fā)射天線的每個(gè)單元，可以一致地作為通信需求的函數(shù)來(lái)變化。
在美國(guó)專利5,283,587中公開了一項(xiàng)技術(shù)，它可以只使用相控陣列天線的可變相位系數(shù)產(chǎn)生高效率的多個(gè)波束。只通過(guò)應(yīng)用相位，陣列中心每個(gè)有源元在同一時(shí)刻具有相同的功率。做為結(jié)果，變化發(fā)射功率電平的影響對(duì)所有的放大器都是相等的。有源設(shè)備，不管它們的瞬時(shí)轉(zhuǎn)移特性多么的呈線性，在不同功率電平時(shí)它們的表現(xiàn)都不同。依據(jù)美國(guó)專利5,283,587中公開的發(fā)射相控陣列，所有的單元都同時(shí)面臨相同的信號(hào)環(huán)境，因此它們?cè)谙鄬?duì)基礎(chǔ)上為每個(gè)信號(hào)保留相位信息。這使得在一個(gè)很寬范圍的操作條件下能夠保持天線波束的形狀。
盡管在當(dāng)前，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例非常適合于應(yīng)用在LEO通信衛(wèi)星群體中的個(gè)體衛(wèi)星上，本發(fā)明的主旨并不僅限于這個(gè)重要的應(yīng)用。舉例說(shuō)明，本發(fā)明的宗旨可被普遍應(yīng)用到發(fā)射機(jī)應(yīng)用的各種形式中，基于地面和基于宇宙空間都可，對(duì)于非LEO也一樣，如地面同步衛(wèi)星系統(tǒng)。此外，盡管在優(yōu)選的實(shí)施例中，通信信號(hào)采用擴(kuò)展頻譜形式；其它信號(hào)形式，如時(shí)分多址(TDMA)和頻分多址(FDMA)也可以被采用。
因此，在借助了一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例部分地展示并描述了本發(fā)明時(shí)，那些在技術(shù)上很有經(jīng)驗(yàn)的人員將會(huì)理解，在不偏離本發(fā)明的范圍和主旨的情況下，可以做一些形式和細(xì)節(jié)上的改動(dòng)。
權(quán)利要求
1.操作通信信號(hào)發(fā)射機(jī)的方法包括以下步驟接收通信信號(hào)；檢測(cè)接收到的通信信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度；依據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)整電源輸出，該輸出提供通信信號(hào)發(fā)射機(jī)放大器的運(yùn)行所需功率，從而當(dāng)檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度增加時(shí)，提高電源的輸出，在檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度減小時(shí)，降低電源的輸出；以及使用通信信號(hào)發(fā)射機(jī)放大器放大接收到的通信信號(hào)。
2.權(quán)利要求1提出的方法，其中檢測(cè)步驟包括從接收到的通信信號(hào)中提取噪聲成分的步驟。
3.權(quán)利要求1提出的方法，其中調(diào)整步驟包括以下幾步將脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比設(shè)置成至少為檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度的函數(shù)；使用脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)設(shè)備，將一原始的直流信號(hào)源斬波成交流信號(hào)；以及使用一反相脈寬調(diào)制信號(hào)同步整流該交流信號(hào)，從而從電源得到一直流輸出，提供通信信號(hào)發(fā)射機(jī)放大器的運(yùn)作功率。
4.操作衛(wèi)星的通信有效負(fù)載的方法包括以下步驟接收多個(gè)用戶的通信信號(hào)；至少?gòu)慕邮盏降牟糠滞ㄐ判盘?hào)中檢測(cè)出對(duì)通信有效負(fù)載的需求；將接收到的通信信號(hào)作頻譜搬移；依據(jù)檢測(cè)到的需求，調(diào)整電源輸出，該電源輸出提供通信有效負(fù)載信號(hào)發(fā)射機(jī)放大器的遠(yuǎn)行所需功率，從而當(dāng)檢測(cè)到的需求增加時(shí)，提高電源的輸出，當(dāng)檢測(cè)到的需求減少時(shí)，降低電源的輸出；以及使用通信信號(hào)發(fā)射機(jī)放大器放大頻譜搬移后的通信信號(hào)。
5.權(quán)利要求4中提出的方法，其中檢測(cè)步驟包括從接收到的通信信號(hào)中提取噪聲成分的步驟。
6.權(quán)利要求4中提出的方法，其中調(diào)整步驟包括以下幾步設(shè)置脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比至少為檢測(cè)到的需求的函數(shù)；使用脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)器開關(guān)設(shè)備，將初始的直流信號(hào)源斬波成一交流信號(hào)；以及使用一反相脈寬調(diào)制信號(hào)同步整流該交流信號(hào)，從而從電源得到一直流輸出，提供通信信號(hào)發(fā)射機(jī)放大器的運(yùn)作功率。
7.權(quán)利要求6中提出的方法，其中同步整流步驟包括使用反相脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)第二開關(guān)設(shè)備一步。
8.權(quán)利要求6中提出的方法，其中第一開關(guān)設(shè)備由一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)成，該場(chǎng)效應(yīng)管連接在初始的直流電源和同步整流器之間，且其中驅(qū)動(dòng)的步驟包括使用自舉電容器一步，該電容器連接在同步整流的交流信號(hào)和預(yù)定義的偏電勢(shì)之間、用于增強(qiáng)連到場(chǎng)效應(yīng)管柵極的脈寬調(diào)制信號(hào)，從而縮短場(chǎng)效應(yīng)管FET的開合時(shí)間。
9.通信信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器包括接收機(jī)，用于接收通信信號(hào)；檢測(cè)設(shè)備，用于檢測(cè)收到的信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度；發(fā)射機(jī)放大器，用于放大收到的通信信號(hào)；電源，用于為發(fā)射機(jī)放大器提供運(yùn)行功率；以及調(diào)整設(shè)備，用于依據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)整電源的輸出，從而在檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度增加時(shí)提高電源的輸出，在檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度減小時(shí)降低電源的輸出。
10.權(quán)利要求9中提出的轉(zhuǎn)發(fā)器，其中所述的檢測(cè)設(shè)備包括從收到的通信信號(hào)中提取噪聲成分的設(shè)備。
11.權(quán)利要求9中提出的轉(zhuǎn)發(fā)器，其中所述的調(diào)整設(shè)備，包括將脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比設(shè)置成至少為檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度的函數(shù)的設(shè)備，其中所述的電源包括用于使用脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)一開關(guān)設(shè)備，將初始直流電源斬波成交流信號(hào)的設(shè)備；以及用于使用一反相脈寬調(diào)制信號(hào)將交流信號(hào)同步檢波，從電源得到一直流輸出，提供通信信號(hào)發(fā)射機(jī)放大器所需的運(yùn)作功率的設(shè)備。
12.衛(wèi)星通信有效負(fù)載包括接收機(jī)，用于接收多個(gè)用戶的通信信號(hào)；用于至少部分地從收到的通信信號(hào)中檢測(cè)出通信有效負(fù)載的需求的設(shè)備；用于將收到的通信信號(hào)作頻譜搬移的設(shè)備；發(fā)射機(jī)放大器，用于放大移頻后的通信信號(hào)；電源，用于為發(fā)射機(jī)放大器提供運(yùn)作所需的功率；以及用于依據(jù)檢測(cè)到的需求，調(diào)整上面所述電源的輸出，從而在檢測(cè)到的需求增加時(shí)，提高電源的輸出，在檢測(cè)到的需求減少時(shí)，降低電源的輸出。
13.權(quán)利要求12中提出的衛(wèi)星通信有效負(fù)載，其中所述的檢測(cè)設(shè)備包括從收到的通信信號(hào)中提取噪聲成分的設(shè)備。
14.權(quán)利要求12中提出的衛(wèi)星通信有效負(fù)載，其中所述的調(diào)整設(shè)備，由將脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比設(shè)置成至少為檢測(cè)到的需求的函數(shù)的設(shè)備組成；其中所述的電源由下列設(shè)備組成使用脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件的設(shè)備，它將初始的直流電源斬波成為交流信號(hào)；以及用于使用一反相脈寬調(diào)制信號(hào)將交流信號(hào)同步檢波的設(shè)備，從電源得到一直流輸出，提供通信信號(hào)發(fā)射機(jī)放大器所需的運(yùn)作功率。
15.權(quán)利要求14中提出的通信衛(wèi)星有效負(fù)載，其中所述的同步檢波設(shè)備包括使用反相脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)第二開關(guān)器件的設(shè)備。
16.權(quán)利要求14中提出的通信衛(wèi)星有效負(fù)載，其中第一開關(guān)器件由一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)組成，該場(chǎng)效應(yīng)管連接在初始直流電源和上述的同步檢波設(shè)備之間，另外，其中所述的驅(qū)動(dòng)開關(guān)由一個(gè)自舉電容器組成，該電容器連接在被同步檢波的交流信號(hào)和預(yù)定的偏電勢(shì)之間，以增強(qiáng)連到場(chǎng)效應(yīng)管柵級(jí)的脈寬調(diào)制信號(hào)，從而減小場(chǎng)效應(yīng)管的開合時(shí)間。
17.權(quán)利要求12中提出的通信衛(wèi)星有效負(fù)載，其中所述的發(fā)射機(jī)放大器由多個(gè)放大器組成，它們的輸出連接到一個(gè)相控陣列發(fā)射機(jī)天線結(jié)構(gòu)的各個(gè)元上，相控陣發(fā)射機(jī)天線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多個(gè)波束供地面上的接收機(jī)接收。
18.權(quán)利要求12中提出的通信衛(wèi)星有效負(fù)載，其中所說(shuō)的通信衛(wèi)星負(fù)載由一低地球軌道衛(wèi)星承載。
19.權(quán)利要求12中提出的通信衛(wèi)星有效負(fù)載，其中所述的檢測(cè)設(shè)備依據(jù)預(yù)定的需求進(jìn)一步檢測(cè)需求。
20.用于低地球軌道通信衛(wèi)星的衛(wèi)星通信有效負(fù)載包括接收機(jī)，用于接收多個(gè)用戶的擴(kuò)展頻譜通信信號(hào)；用于至少部分地從收到的擴(kuò)頻通信信號(hào)中檢測(cè)出對(duì)通信有效負(fù)載的需求的設(shè)備；用于將收到的通信信號(hào)作頻譜搬移的設(shè)備；大體上呈線性的多個(gè)發(fā)射機(jī)放大器，用于放大移頻后的擴(kuò)頻通信信號(hào)，所述的多個(gè)發(fā)射機(jī)放大器的輸出連接到一個(gè)相控陣列發(fā)射機(jī)天線結(jié)構(gòu)的各個(gè)單元上；電源，用于為上述的多個(gè)發(fā)射機(jī)放大器提供需要的運(yùn)作功率；以及用于依據(jù)檢測(cè)到的需求調(diào)整上述電源的輸出，使得在檢測(cè)到的需求增加時(shí)，提高電源的輸出，在檢測(cè)到的需求減少時(shí)，降低電源的輸出。通過(guò)這種方式，上述多元發(fā)射機(jī)放大器的功耗依據(jù)檢測(cè)到的需求進(jìn)行改變。
全文摘要
一種操作通信信號(hào)發(fā)射機(jī)的方法及其裝置，包括，接收通信信號(hào)；檢測(cè)收到的信號(hào)強(qiáng)度，依據(jù)檢測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)整電源輸出，放大器放大收到的通信信號(hào)，檢測(cè)步驟包括提取噪聲成分。調(diào)整步驟將占空比設(shè)置成至少為信號(hào)強(qiáng)度的函數(shù)；使用脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)，利用反相脈寬調(diào)制信號(hào)作同步檢波。
文檔編號(hào)H04B1/04GK1131849SQ95118598
公開日1996年9月25日 申請(qǐng)日期1995年11月8日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月8日
發(fā)明者E·希施菲爾德, R·A·韋迪曼, S·坎特 申請(qǐng)人:太空系統(tǒng)/羅拉爾有限公司