用于使用固态功率放大器进行功率共享的方法和系统

本申请是申请号为201911148270.6，提交日期为2019年11月21日，发明名称为“瓦片式卫星有效载荷系统及其相关方法”的中国专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

根据35USC 119(e)，本专利申请要求于2018年11月21日提交的序列号为第62/770485的题为“Tile Based Satellite Communications Payloads and SatelliteDynamic Power Sharing Using SSPAs”的美国临时专利申请和于2018年12月11日提交的序列号为第62/778199的题为“ASystem of Micro High Throughput Satellites forMobility Services”的美国临时专利申请的优选权，上述申请的公开内容通过引用全部合并于本文。

技术领域

本公开内容涉及卫星有效载荷，并且更具体地，涉及模块化卫星有效载荷系统及其相关方法。

背景技术

卫星通信通常被运输交通工具——包括飞机——使用以发送和接收信息。卫星通常使用发送和接收信号的通信“有效载荷”。

当前的技术——尤其是用于流送音频/视频的技术——要求针对卫星有效载荷具有较高的带宽。高吞吐量卫星(High Throughput Satellite，HTS)用于满足较高的带宽需求。基于HTS的系统使用多个点波束来覆盖地理区域。点波束使得分配给卫星通信的频谱能够由相同的有效载荷多次重复使用。较小的点波束使得卫星功率能够集中，并且使得有效载荷上的各个应答器能够支持更多带宽。

典型的HTS系统可能使用40至80个点波束以及大约80至100个应答器。应答器是卫星有效载荷的基本单位。应答器包括用于接收和发送波束的各种部件。针对有效载荷构建应答器链的成本可能为数百万美元。应答器成本高的一个原因是有效载荷复杂、独特且通常是手工制造的。例如，KaSat的HTS有效载荷内部波导布局可以具有多个(例如2500个)定制的、连接各种点波束(例如80个)和多个(例如65个)行波管放大器(Traveling Wave TubeAmplifier，TWTA)的波导部。TWTA用于支持高射频(RF)功率(例如，大于100W)。通常，每个波导部都是定制的，并手动放置在有效载荷内。TWTA使用需要特殊制造技术和设备的高功率真空管。其他部件，例如用于通道滤波的腔过滤器，也可以通过手动调节腔侧面中的螺钉进行手动调整。因此，构建常规的HTS有效载荷是耗时且成本过高的。此外，常规的HTS部件又大又重，这在满足增加带宽的需求方面提出了设计挑战。因此，HTS系统需要更好的架构解决方案。

在常规卫星系统中，卫星波束之间的功率共享是通过TWTA、腔过滤器输出多路复用器(Output Multiplexer，OMUX)和多端口放大器(Multi-Port Amplifier，“MPA”)实现的。这些部件又复杂又重，并且仅允许在有限数量的波束之间功率共享。

用户业务的分布会随着时间在地球表面发生变化。对于固定应用会发生这种情况，因为不同的时区具有不同的昼夜，并且对于移动应用，用户终端在一天当中移动。用户业务分布随时间的变化在航空业务模式中尤为明显，在航空业务模式中飞机机队在二十四小时内从一个地区(例如北美)移动到另一地区(例如欧洲)然后再次返回。如果整个区域都被单个宽波束覆盖，则区域内的业务移动不会成为问题。然而，常规的HTS将地区划分到较小的点波束，以试图改善卫星的性能和经济性。将地区分到较小的波束导致移动业务针对每个波束在时间上创造独立的峰值的情况。在每个波束中提供峰值的容量会导致一天当中的容量浪费。需要一种更好的解决方案用于卫星波束之间功率共享。

使用多波束的HTS系统已经稳步取代了用于移动服务的宽波束卫星。通常，如上所述，基于HTS的有效载荷使用多个点波束来增加从同一轨位(orbital slot)获得的容量。HTS有效载荷的缺点是它们的尺寸、复杂性、上市时间、成本和缺乏灵活性。例如，典型的HTS系统的质量的范围为3000公斤至6000公斤，具有上千个手工制作的部件。构建和部署HTS系统通常需要3到4年。此外，大多数HTS系统是针对特定的轨位、覆盖区域和地面站定制和定做的。典型的常规HTS系统可能花费3亿至6亿美元之间，这使它们称为风险和昂贵的投资。需要一种可以有效地使用点波束的常规HTS系统的更好的解决方案。

发明内容

提供了用于卫星有效载荷的方法和系统。在一个方面，提供了一种有效载荷系统，其包括被布置成阵列的多个焦平面阵列瓦片(tile)，所述焦平面阵列瓦片与反射器对接(interfaced)，用于接收和发送信号。所述多个焦平面阵列瓦片的焦平面阵列瓦片包括接收部、发送部和切换模块。接收部包括：第一过滤器，其将接收信号与发送信号隔离；低噪声放大器，其将接收信号放大；以及第一频率转换模块，其将接收信号的频率转换为中频。发送部包括第二频率转换模块，第二频率转换模块将发送信号的频率转换为射频。切换模块接收来自接收部的输出以及将输出切换到另外的焦平面阵列瓦片。

在另一方面，一种卫星有效载荷系统包括多个有源透镜瓦片，所述多个有源透镜瓦片与多个焦平面瓦片对接，所述多个焦平面瓦片与反射器对接，用于接收和发送信号。所述多个有源透镜瓦片的有源透镜瓦片包括接收部和发送部。有源透镜瓦片的接收部包括：第一过滤器，其将发送部处的发送信号与接收信号隔离；以及低噪声放大器，其将接收信号放大。有源透镜瓦片的发送部包括高功率放大器，其将接收发送信号的移相器的输出放大。

多个焦平面瓦片的焦平面瓦片包括接收部、发送部和切换模块。焦平面瓦片的接收部包括第一频率转换模块，以将接收信号的频率转换为中频。焦平面瓦片的发送部包括第二频率转换模块，以将发送信号的频率转换为射频。切换模块接收来自焦平面瓦片的接收部的输出以及将输出切换到另外的焦平面瓦片。

在又一方面，一种卫星有效载荷系统包括多个有源反射器瓦片，所述多个有源反射器瓦片与多个焦平面瓦片对接，所述焦平面瓦片与反射器对接，用于接收和发送信号。所述多个有源透镜瓦片的有源反射器瓦片包括接收部和发送部。有源透镜瓦片的接收部包括：第一环行器，其将发送部的发送信号与接收信号隔离；以及低噪声放大器，其将接收信号放大。有源反射器瓦片的发送部包括：第二环行器，其将发送信号与接收信号隔离；以及高功率放大器，其将接收发送信号的移相器的输出放大。

所述多个焦平面瓦片的焦平面瓦片包括接收部、发送部和切换模块。焦平面瓦片的接收部包括第一频率转换模块，以将接收信号的频率转换为中频。焦平面瓦片的发送部包括第二频率转换模块，以将发送信号的频率转换为射频。切换模块接收来自焦平面瓦片的接收部的输出以及将输出切换到另外的焦平面瓦片。

涉及瓦片式卫星有效载荷系统及其相关方法。提供了用于卫星有效载荷的方法和系统。第一系统基于使用具有反射器的焦平面阵列瓦片。第二系统使用有源透镜瓦片、焦平面阵列瓦片和反射器。第三系统包括有源反射器瓦片、焦平面阵列瓦片和反射器。又一系统通过选择性地向卫星有效载荷中使用的固态功率放大器提供电力来实现波束功率共享。另一系统使用多个微型卫星来提供区域的卫星覆盖范围。

在一个方面，提供了一种用于使用固态功率放大器进行功率共享的方法，包括：对用于固态功率放大器(SSPA)的电力进行初始化；由卫星有效载荷的控制器接收关于业务覆盖的信息；由控制器确定业务覆盖所需的波束的数量；以及基于确定来选择性地接通SSPA中的一些SSPA。

在另一方面，提供了一种用于使用固态功率放大器在多个波束之间进行功率共享的系统，包括：固态功率放大器(SSPA)；耦接至SSPA的控制器；以及信号源；其中，控制器被配置成：对用于SSPA的电力进行初始化；接收关于业务覆盖的信息；确定业务覆盖所需的波束的数量；以及基于所确定的波束的数量来选择性地向SSPA提供电力。

在又一方面，提供了一种方法，包括：基于用户业务确定地理覆盖区域；基于地理覆盖区域确定覆盖地理覆盖区域所需的微卫星的数量；部署数量的微卫星以在地理覆盖区域中提供覆盖；以及基于需求调整微卫星的数量。

附图说明

现在将参照本文公开的各个方面的附图来描述本公开内容的各个特征。在附图中，相同的部件可以具有相同的附图标记。所说明的方面意在说明而非限制本公开内容。附图包括以下图：

图1A示出了根据本公开内容的一方面的多个卫星有效载荷系统的示例；

图1B示出了根据本公开内容的一方面的焦平面阵列瓦片的示例；

图1C示出了根据本公开内容的一方面的焦平面阵列瓦片的另一示例；

图1D示出了根据本公开内容的一方面的有源透镜瓦片和焦平面瓦片的示例；

图1E示出了根据本公开内容的一方面的用于使用图1D的有源透镜瓦片和焦平面瓦片的布置；

图1F示出了根据本公开内容的一方面的具有有源反射器瓦片和焦平面瓦片的系统的示例；

图1G示出了根据本公开内容的一方面的具有环行器的有源反射器瓦片和焦平面瓦片的示例；

图1H示出了根据本公开内容的一方面的具有频率转换器的有源反射器瓦片和焦平面瓦片的示例；

图1I示出了根据本公开内容的一方面的使用交叉极化用于信号隔离的有源反射器瓦片和焦平面瓦片的示例；

图2示出了根据本公开内容的一方面的将有效载荷瓦片布置成阵列的示例；

图3A示出了用于卫星波束的功率共享的示例；

图3B示出了用于卫星波束中的功率共享的常规系统的示例；

图3C示出了用于卫星波束中的功率共享的常规系统的另一示例；

图3D示出了根据本公开内容的一方面的在卫星有效载荷中使用固态功率放大器(solid state power amplifier，SSPA)的示例；

图3E示出了根据本公开内容的一方面的选择性地为卫星有效载荷的SSPA供电的一个示例；

图3F示出了根据本公开内容的一方面的用于选择性地为SSPA供电的处理；

图3G示出了根据本公开内容的一方面的针对最佳馈送装置尺寸使用SSPA的示例；

图4A示出了使用多点波束进行卫星覆盖的示例；

图4B示出了根据本公开内容的一方面的使用微型卫星的多点波束的使用；以及

图4C示出了根据本公开内容的一方面的用于使用多个微型卫星的处理。

具体实施方式

作为初步说明，在本文中所使用的术语“部件”、“模块”、“系统”等意在指代计算机相关的实体、软件执行通用处理器、硬件、固件或其组合。例如，部件可以是但不限于是在硬件处理器上运行的进程、硬件处理器、对象、可执行文档、执行线程、程序和/或计算机。

根据所要求保护的主题，计算机可执行部件可以被存储在例如非暂态计算机/机器可读介质上，非暂态计算机/机器可读介质包括但不限于ASIC(专用集成电路)、CD(致密盘)、DVD(数字视频盘)、ROM(只读存储器)、硬盘、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、固态存储器装置或任何其他存储装置。可以通过如果存在在本文中可互换使用且意在具有相同含义的限定词或当存在所述限定词时来表达有条件的处理/例程。

一方面，本文公开的技术为HTS(“高吞吐量卫星”)有效载荷提供了一种经济高效的解决方案。公开了新颖的有效载荷架构/配置，其使用批量生产的集成电路(IC)模块并且被铺设(tiled)在一起以形成有效载荷。本文公开的有效载荷系统比常规系统更轻、更便宜并且更易于组装。除了标准的应答器功能之外，所描述的架构还支持帧切换功能(frameswitching functionality)，以支持波束跳跃(也称为卫星切换时分多址(TDMA))。

一方面，公开了使用具有相似的发送和接收功能的相似技术的有效载荷瓦片(payload tiles)。与常规、昂贵、重且难以制造的HTS系统相比，这些瓦片用于对可展开或可打开反射器(deployable or unfurlable reflector)进行馈送，支持大量点波束(例如数百或数千个)，并提供增益以支持具有较低功率使用的高带宽。在一些情况下，有效载荷瓦片可以用作直接辐射天线，消除对反射器的需要，如下面详细描述的。

在本公开内容的另一方面，有源透镜系统112(也可以称为系统112或配置112)设置有多个焦平面瓦片108和多个有源透镜瓦片110。下面提供了关于系统112以及瓦片108和110的细节。

在本公开内容的又一方面，有源反射器系统114(也可以称为系统114或配置114)设置有多个有源反射器瓦片116和多个焦平面瓦片118。下面提供了关于系统114以及瓦片116和118的细节。

图1A的各种配置之间的差异取决于瓦片相对于反射器106的关系，以及如何在焦平面与有源透镜/反射器瓦片之间将应答器和切换功能进行拆分，如以下详细描述的。

一方面，尽管示出了系统102、112和114使用无源反射器106，但是本公开内容的自适应方面不限于无源反射器106。有源透镜系统112和有源反射器系统114可以被配置成在没有无源反射器106的情况下以直接辐射模式操作。此外，尽管为了简单起见，图1A示出了同轴配置，但是其他布置诸如偏移馈送装置(offset feeds)、格里高利(Gregorian)或卡塞格林(Cassegrain)配置也可以与本公开内容的新颖的瓦片式有效载荷(tile basedpayloads)一起使用。

一方面，瓦片120包括具有交错(interleaved)的Rx元件122和Tx元件154的处理接收信号的接收(Rx)部120A和处理发送信号的发送(Tx)部120B。一方面，Rx元件122被配置成接收输入信号。Rx元件122可以与其他Rx元件分组到一起以形成Rx链。输入信号通过抑制过滤器(reject filter)124，该抑制过滤器124将接收信号与发送部120B中的噪声隔离。一方面，可以使用正交极化来将接收信号与发送部噪声隔离。

来自过滤器124的输出被低噪声放大器(LNA)126放大到工作水平。来自LNA126的输出被提供给“下转换”模块(显示为“下转换为IF(N)”(在整个说明书中可互换使用))128(可以称为“模块128”)，其将来自LNA126的输出的频率转换为中间频率(“IF”)或发送部频率水平。模块128包括过滤器130和136、混频器132和振荡器134以执行频率转换。

来自模块128的在IF范围内的输出被提供给切换模块(示出为IF切换模块，在整个说明书中可互换使用)138。切换模块138将来自模块128的输出路由至相邻的瓦片140A/140B、路由至切换网关子系统142或路由至Tx部120B。网关子系统142可以用于在瓦片阵列之间路由信号。

Tx部120B包括“上转换”模块(示出为“上转换为RF”或“上转换为Ku”(图1D和图1G至图1I)(在整个说明书中可互换使用))144，“上转换”模块144基于来自Rx元件的输入信号的强度将输入信号转换为RF(射频)信号。模块144包括用于将输入信号的频率转换为RF信号的混频器148、振荡器146和过滤器150。从模块144输出的RF信号被提供给高功率放大器(HPA)152，高功率放大器(HPA)152将所接收的RF信号输出进行放大。HPA152可以是砷化镓(GaAs)、硅锗(SiGe)、氮化镓(GaN)或任何其他放大器类型。来自HPA152的输出由TX元件154发送。类似于RX元件，一个或更多个Tx元件154可以被组合以创建Tx链。

一方面，瓦片120被安装到提供DC(直流)电力、命令和与相邻瓦片的信号连接的背板(未示出)。背板可以包括用于热控制的热管(未示出)。

如上所述，Tx元件和Rx元件在同一时间内交错。由于仅使用一种类型的瓦片来构造有效载荷，因此经济有效。为了将Tx路径与Rx路径隔离，可以将Tx元件和Rx元件彼此正交放置。交叉极化隔离将在Tx路径与Rx路径之间提供一定的固有隔离。使用两种类型的偏振将涉及使用两个反射器和两个相同的焦平面阵列，其中一个阵列相对于彼此旋转90度。

将Tx信号与Rx信号隔离的另一选择是将Tx功能和Rx功能拆分到单独的瓦片(tile)。该选项将使用两个反射器，但具有两种不同类型的焦平面阵列瓦片。

将Tx信号与Rx信号隔离的另一解决方案是，如果波束使用卫星切换TDMA，则对于给定的波束，以半双工模式操作Tx元件和Rx元件。如果发送占空比不是100％，则上行链路传输将与下行链路传输在时间上交错。在此实现方式中唯一需要的隔离是在相邻波束之间。半双工将不会限制有效载荷的整体容量，但可能会限制波束的最大上行链路速率和最大下行链路速率。

一方面，系统102可以用于其中需求在空间覆盖区域上并且在时间上相对均匀地分布的应用。

一方面，焦平面阵列瓦片120部件，即接收和发送馈送元件122/154、LNA126、下频率转换器128、HPA152、上转换器144和切换模块138可以被批量生产并被铺设(tiled)以形成有效载荷。系统102的制造成本和组装时间将小于常规的HTS系统。

图1C示出了根据本公开内容的一方面的具有Rx部156A和Tx部156B的焦平面阵列瓦片156(可以称为瓦片156)的另一示例。瓦片156具有与瓦片120的部件相似的各种部件，例如，抑制过滤器124、LNA126、模块128、HPA152、模块144和切换模块138。瓦片156和120的共同部件执行与以上描述的功能相同的功能，因此，不再描述共同部件。

除了瓦片120的共同部件之外，瓦片156还包括在Rx部156A中的移相器158和可变衰减器160，以及在发送部156B中的可变衰减器162和移相器164。移相器158和164提供RF信号的可控相移。可变衰减器160和162使用如下电路：该电路连续地或逐步地减小输入信号的强度而没有明显的信号失真，同时基本上保持恒定的阻抗匹配。

瓦片156的移相器和衰减器对于给定的波束跨馈送元件提供更好的幅度和相位控制。这样可以提供对主反射器更好的照度控制和较高的天线效率。衰减器160和162还可以用于实现增益控制，以通过补偿有效载荷处的上行链路衰落和路径损耗，使得下行链路信号以已知的功率水平工作。

一方面，在任何给定时间仅激活所需的放大器。例如，放大器可以是主线化的(key-lined)并且仅在发送帧时才被激活。主线化减少了有效载荷中的散热和功耗。

在另一方面，瓦片中的切换功能使得能够在任何给定时间激活不同的元件子集。与波束中心固定的常规喇叭形馈送反射器不同，切换模块138的切换功能可以用于使波束峰值移位，并使得波束能够指向单个终端。在典型的喇叭形馈送反射器系统中，从峰值到边缘的滚降(roll-off)为4.5dB。能够将峰值移位波束直径的一半将会将滚降降至1.1dB，节省3.4dB。这将提供相同的性能，而功率不到常规喇叭形馈送系统的一半。

一方面，提供了一种卫星有效载荷系统。有效载荷系统包括被布置成阵列的多个焦平面阵列瓦片，焦平面阵列瓦片与反射器对接，用于接收和发送信号。来自多个焦平面阵列瓦片的焦平面阵列瓦片包括接收部、发送部和切换模块。接收部包括：第一过滤器，其将接收信号与发送信号隔离；低噪声放大器，其将接收信号放大；以及第一频率转换模块，其将接收信号的频率转换为中频。发送部包括第二频率转换模块，其将发送信号的频率转换为射频。切换模块接收来自接收部的输出，并且将输出切换到另外的焦平面阵列瓦片。

一方面，透镜瓦片168包括Rx部168A和Tx部168B。Rx元件122B和TX元件154B面向外朝向无源反射器106(图1A)。元件122C和154C面向内朝向具有元件122A/154A的焦平面瓦片166。

透镜瓦片168包括在Rx部168A中的移相器158和在发送部168B中的移相器164。透镜瓦片168还包括在Rx部168A中的可变衰减器160和在Tx部168B中的可变衰减器162。移相器和衰减器使得透镜瓦片168能够跨透镜创建相位和幅度分布，从而基本上提供其自身的焦距。这使得透镜瓦片168能够在没有无源反射器的情况下以直接辐射配置操作，并且减小了馈送阵列的焦距和尺寸。

一方面，焦平面瓦片166使用Rx部166A中的元件122A和Tx部166B中的元件154A来提供馈送阵列。接收部中的低功率放大器(LPA)170和发送部中的低功率放大器172可以用于保持焦平面瓦片166内的信号水平。值得注意的是，LPA170和172是可选的，并且因为透镜瓦片168与焦平面瓦片166之间的信号损耗最小，所以可能不需要LPA170和172。

焦平面瓦片166的模块128类似于以上描述的图1B的焦平面瓦片120的模块128。类似地，焦平面瓦片166的模块144类似于焦平面瓦片120的模块144。焦平面瓦片168的IF切换模块138还执行与以上关于图1B描述的焦平面瓦片120的模块138的功能相同的功能。不再详细描述瓦片166和瓦片120的这些共同部件。

一方面，焦平面瓦片166可以被安装至提供DC电力和相邻瓦片之间的信号连接的背板。背板可能不需要热管，因为焦平面瓦片166处的功率水平较低。

一方面，透镜瓦片168可以被安装在使得透镜瓦片能够面向内朝向焦平面瓦片166以及面向外朝向无源反射器106的框架(未示出)上。

值得注意的是，透镜瓦片168不执行频率转换。它以相同的频率在透镜的背面接收发送信号，然后在正面将它们发送。一方面，如图1E所示的罐状结构174可以用于放置透镜瓦片168和焦平面瓦片166。罐状结构174将有源透镜168放置在顶部，将焦平面瓦片166放置在底部。侧壁结构176位于透镜与焦平面瓦片之间。

一方面，提供了一种卫星有效载荷系统。该系统包括与多个焦平面瓦片对接的多个有源透镜瓦片，所述多个焦平面瓦片与反射器对接，用于接收和发送信号。多个有源透镜瓦片的有源透镜瓦片包括接收部和发送部。有源透镜瓦片的接收部包括：第一过滤器，以将发送部的发送信号与接收信号隔离；以及低噪声放大器，以将接收信号放大。有源透镜瓦片的发送部包括高功率放大器，以将接收该发送信号的移相器的输出放大。

多个焦平面瓦片的焦平面瓦片包括接收部、发送部和切换模块。焦平面瓦片的接收部包括第一频率转换模块，以将接收信号的频率转换为中频。焦平面瓦片的发送部包括第二频率转换模块，其将发送信号的频率转换为射频。切换模块接收来自焦平面瓦片的接收部的输出，并将输出切换到另外的焦平面瓦片。

图1G示出了根据本公开内容的一方面的有源反射器系统114的有源反射器瓦片182和焦平面瓦片166。根据本公开内容的一方面，有源反射器瓦片182包括接收(Rx)部182A中的环行器195和发送(Tx)部182B中的环行器193。环行器是一种无源、非互易的三端口或四端口装置，其中进入任何端口的RF信号都会旋转发送至下一端口。在本文中，端口是外部波导或传输线(例如微带线或同轴线缆)连接至装置的点。对于三端口环行器，施加到第一端口的信号仅从第二端口出来；施加到第二端口的信号仅从第三端口出来；施加到第三端口的信号仅从第一端口出来。可以使用接收部和发送部的环行器195和193对经由服务链路178和有效载荷内链路180接收的信号进行隔离。

有源反射器瓦片182的其余部件(例如，接收部182A中的抑制过滤器124、LNA126、移相器158、可变衰减器160以及发送部182B中的HPA152、移相器164和可变衰减器162)和焦平面阵列瓦片166(例如，接收部166A中的切换模块138、LPA170和模块128以及发送部166B中的模块144和LPA172)的功能与上面参照图1B至图1D所描述的瓦片的各个部件相似，为了简洁起见，不再描述这些部件。

图1H示出了根据本公开内容的一方面的具有接收部184A和发送部184B的有源反射器瓦片184。接收部184A包括频率转换器188A，发送部包括频率转换器188B，所述频率转换器用于将服务链路178和有效载荷内链路180处的信号隔离。频率转换器188A包括过滤器190、混频器192和振荡器194。频率转换器188B包括过滤器196、混频器198和振荡器199。使用频率转换器、混频器和振荡器对链路178和180处的信号的频率进行隔离。来自频率转换器188A的输出经由元件122C被发送至焦平面瓦片166，而来自频率转换器188B的输出经由元件154C被发送至焦平面瓦片166。

有源反射器瓦片184的其余部件(例如，接收部184A中的抑制过滤器124、LNA126、移相器158、可变衰减器160以及发送部184B中的HPA152、移相器164和可变衰减器162)和焦平面阵列瓦片166(例如，接收部166A中的切换模块138、LPA170和模块128以及发送部166B中的模块144和LPA172)的功能与上面关于图1B至图1D所描述的瓦片的各个部件类似，为了简洁起见，不再描述这些部件。

图1I示出了具有接收部186A和发送部186B的有源反射器瓦片186的示意图。有源反射器瓦片186使用交叉极化经由元件197A、197B、122B和154B将经由服务链路178和有效载荷内链路180接收的信号隔离。如果有效载荷内链路180是V-pol或右旋圆极化(RightHand Circular Polarization，RHCP)，则服务链路178将使用H-pol或左旋圆极化(LeftHand Circular Polarization，LHCP)。

有源反射器瓦片186的其余部件(例如，接收部186A中的抑制过滤器124、LNA126、移相器158、可变衰减器160以及发送部186B中的HPA152、移相器164和可变衰减器162)和焦平面阵列瓦片166(例如，接收部166A中的切换模块138、LPA170和模块128以及发送部166B中的模块144和LPA172)的功能与上面关于图1B至图1D所描述的瓦片的各个部件类似，为了简洁起见，不再描述这些部件。

一方面，以上描述的瓦片式有效载荷系统可以在包括X、Ku、Ka、Q、V等的各种频带中使用。可以针对不同天线几何形状例如同轴、偏移馈送、格里高利、卡塞格林或直接辐射来定制各种瓦片式系统102、112和114。可以使用单正交或双极化来实现本公开内容的各种配置。

一方面，提供了一种卫星有效载荷系统。该系统包括与多个焦平面瓦片对接的多个有源反射器瓦片，所述多个焦平面瓦片与反射器对接，用于接收和发送信号。多个有源透镜瓦片的有源反射器瓦片包括接收部和发送部。有源透镜瓦片的接收部包括：第一环行器，以将发送部的发送信号与接收信号隔离；以及低噪声放大器，以将接收信号放大。有源反射器瓦片的发送部包括：第二环行器，以将发送信号与接收信号隔离；以及高功率放大器，以将接收该发送信号的移相器的输出放大。

多个焦平面瓦片的焦平面瓦片包括接收部、发送部和切换模块。焦平面瓦片的接收部包括第一频率转换模块，以将接收信号的频率转换为中频。焦平面瓦片的发送部包括第二频率转换模块，其将发送信号的频率转换为射频。切换模块接收来自焦平面瓦片的接收部的输出，并且将输出切换到另外的焦平面瓦片。

图3A示出了用于在不同时间即在时间1、2和3在卫星波束之间进行功率共享的系统300的示例。地理区域被示出为302、304和306。波束功率308、310和312的图示说明是针对时间1的。波束功率314、316和318的图示说明是针对时间2的。波束功率320、322和324的图示说明是针对时间3的。波束功率的变化是为了适应业务模式的变化。

常规地，波束之间的功率共享是通过在下行链路波束之间移动高功率RF信号来实现的。这是通过使用OMUX对TWTA的输出进行功率分配(参见图3B)或通过在由巴特勒(Butler)矩阵连接的MPA(多端口放大器)配置中使用多个TWTA来实现的(参见图3C)。

TWTA是由于其高功率和效率而经常在卫星应用中使用的真空管放大器。典型的TWTA包括放大器和电功率调节(EPC)单元可能重2kg至3kg，尺寸可能为37cm乘9cm乘9cm，饱和RF功率为100W至200W，饱和效率为65％。

为了跨多个点波束共享功率，图3B示出了TWTA 326接收输入332并生成输出的常规系统。使用低损耗波导将输出提供给OMUX 328。

OMUX 328具有多个环行器和腔过滤器，它们基于频率将TWTA输出的输出频谱划分为不同的通道。然后，使用波导将OMUX 328输出330A至330C连接至点波束馈送装置。OMUX通常每输出重约1kg。可以通过不同频率的上行链路载波将功率路由至每个输出波束，并且可以通过改变每个载波的驱动水平将功率在波束与波束之间移动。

使用OMUX来功率共享单个TWTA的缺点在于，功率限制为单个放大器的功率，并且必须将可用频谱划分为较小的通道。在大多数情况下，TWTA是一次仅在两到四个波束之间划分功率，这是不期望的。此外，TWTA和OMUX都较重且制造成本较高。

MPA在功率共享方面提供了一定的灵活性，但更为复杂。图3C示出了MPA334，其中一组TWTA326A至326D是使用巴特勒矩阵336A/336B组合的功率装置。巴特勒矩阵336A/336B是被放置在TWTA326A至326D的组之前和之后的混合功率分配器和组合器的特定组合。MPA334具有与TWTA的数量相等的输入端口和输出端口数量。每个输入端口处的驱动水平决定相应输出端口处的输出水平，直到MPA334中所有TWTA的组合功率。设置每个输入端口处的输入水平使得能够在输出端口(338A至338C)之间任意划分MPA334中的TWTA的总功率。将MPA中的多个TWTA进行组合创建了可以跨更多的波束来共享的更大的功率池。可以使用OMUX 328将每个输出端口(例如338D)进一步划分为更多波束(例如330A至330C)。

通过在波束之间移动高功率RF进行功率共享是复杂且昂贵的。TWTA、OMUX、巴特勒矩阵和连接波导是大、重且复杂的。每个波束需要二至七公斤的设备。即使在最佳情况下，也只能在不到十二个波束之间共享功率。

本公开内容提供了一种比TWTA尺寸更小、质量更低且更便宜的SSPA的更好的解决方案。SSPA提供了一种经济高效的解决方案，以跨波束来共享DC功率，而不是射频功率，从而创建简化的卫星有效载荷。SSPA在包括GaAs、SiGe和GaN的各种技术中可用。GaN放大器对于空间应用来说是期望的，因为在金刚石基板上使用GaN的最新进展已导致放大器效率超过50％。这可能低于典型的TWTA的效率，但是SSPA的小尺寸使得它们能够被安装在波束馈送装置附近或波束馈送装置上，从而消除了在基于TWTA的系统中典型1dB或更多的波导损耗。

作为示例，来自Quorvo公司的16W Ku波段GaN SSPA(例如，型号TGA2760-SM)的尺寸为0.8cm乘1.0cm乘0.2cm。虽然其可能具有比典型的Ku波段TWTA的功率低的功率，质量小于1克，但它比典型的TWTA轻至少2000倍，体积却小18000倍。换句话说，对于与TWTA相同的质量，可以安装200倍的RF功率，而仍然只占单个TWTA体积的1/9。因此，对于与TWTA相同的质量，可以安装更大的放大器功率。这使得功率共享系统能够通过选择性地使放大器通电和断电来在波束之间移动功率。总DC功率保持恒定，但是接通或断开哪些SSPA决定在何处为卫星有效载荷分配功率。

图3D示出了基于SSPA的系统340的示例。反射器354用于在地面上生成多个覆盖波束356A至356N。反射器354可以是固体反射器、固定网状反射器或可打开网状反射器。反射器354可以采用任何布置，例如中心馈送装置、卡塞格林、格里高利、同轴(on-axis)或偏置(off-set)。大直径的可打开反射器是期望的，因为高增益降低了每波束的功率要求，但是，本公开内容的自适应方面不限于可打开反射器。

每个波束356A至356N是通过在反射器354的焦平面处的一个(每波束单馈送装置)馈送装置或多个(每波束多个馈送装置)馈送装置生成的。卫星有效载荷的焦平面与反射器之间的通信由350示出，并且来自反射器的多波束由箭头352示出。馈送装置(feeds)本身可以是喇叭、贴片、偶极子、缝隙、介电棒或任何类似技术。每个馈送装置都连接至一个或更多个SSPA348A至348N。如果将多个SSPA连接至同一馈送装置，则它们可以是利用波导、带状线或微带组合器或类似技术组合的功率装置。在使用每波束多个馈送装置和/或每馈送装置多个SSPA的情况下，信号路径长度相同，使得在不需要使用移相器的情况下SSPA保持同相。每个SSPA可以由电源信号344单独或成组供电，并连接至输入信号源(346A至346N)。

在将多个SSPA连接至馈送装置的情况下，SSPA可以连接至相同或不同的信号源，或者源也可以是可选择的。SSPA的数量可能超过卫星上的可用DC功率。

卫星上或地面上的控制器342确定在卫星有效载荷的DC功率限制内在任何给定时间使哪些SSPA通电和断电。控制器342还可以控制每个SSPA的信号。

图3E示出了根据本公开内容的一方面的卫星波束之间功率共享的示例。一组飞机可以从一个地区移动到另一地区(即从302经由304到306，以及从306经由304到302)。为不同的SSPA组(构成不同的天线馈送装置)供电，将功率从一个波束移动到另一波束。一方面，为了保持总功耗恒定，当一个波束被供电时，其他波束可以保持不供电(例如，当波束1的SSPA被供电时，波束2和波束3的SSPA不被供电)。这种布置对于用于在稀疏业务区域中生成大量波束的大型可打开反射器很有用。

在另一方面，可能期望以低于最大功率的功率操作波束，并且使用每波束多个SSPA使得可以在没有损失任何效率的情况下这样做。可以通过降低输入驱动水平来完成以降低的功耗操作。在另一方面，可以重置用于SSPA的偏置电压以减小功率。通过对馈送波束的SSPA的一部分断电，同时使其余SSPA保持以其最有效的操作水平进行操作，使多个SSPA对每个波束进行馈送使得能够在不损失任何效率的情况下改变波束功率。通过在自动水平控制(automatic level control，ALC)模式下操作系统而不必持续调整上行链路驱动水平以将放大器维持在期望的设定点，可以降低系统的总体操作复杂性。这样实现更大的功率共享控制，而不会降低效率。

一方面，通过关闭SSPA的一部分来改变波束功率水平。例如，如图3E所示，当波束1358具有最大业务时，馈送波束1的每个SSPA(348A至348H)被供电并连接至信号1。波束2360可能具有较少的业务，因此，只有馈送波束2的一半SSPA(由4个黑色的三角形示出)可以被供电并连接至信号2(346)。波束3 362可能具有最少的业务，因此只有四分之一的SSPA(由两个黑色的三角形示出)被供电并连接至信号3。只要被供电的SSPA的总数不超过卫星处可用的总供应DC功率，通过使SSPA通电和断电可以随时间改变每个波束中的功率水平。

图3F示出了根据本公开内容的一方面的用于使用SSPA进行功率共享的处理364。该处理开始于框B366。在框B368中，对用于SSPA的电力进行初始化。在框B370中，向卫星有效载荷的控制器342提供关于业务覆盖的信息。在框B372中，控制器342确定覆盖范围可能需要的波束的数量。在框B374中，控制器342选择性地接通SSPA。在一个方面，用于第一波束的SSPA可以具有比第二波束的SSPA更大的功率。

在常规的每波束单馈送装置系统中，馈送装置的针对天线效率的最佳尺寸经常超过馈送装置之间的期望间隔。这可以通过以下方式来解决：以降低天线性能为代价使用比最佳馈送装置小的馈送装置，或者以增加额外的质量和复杂性为代价使用多个反射器。另一种解决方案是：使用与单个最佳馈送装置将占用的空间相同的空间的每波束多个馈送装置。在波束之间的边界处，馈送装置由相邻的波束共享，其中单个馈送装置将交叠。但是，在常规的功率共享应用中，这需要在馈送装置后面具有复杂的波导波束成形网络，与简单地使用多个反射器相比，该网络通常较重且较昂贵。使用每波束多个馈送装置并且其中每馈送装置多个SSPA消除了常规的每波束多馈送装置系统的一些缺点，同时保留了使用单个反射器的能力，并保持了最佳馈送装置尺寸的高性能。

图3G中示出了每波束多个馈送装置且其中每馈送装置多个SSPA中的SSPA的布置。在这种情况下，最佳馈送装置尺寸(optimum feed size)380需要三个馈送装置(feeds)，但是馈送装置之间的间隔仅相隔一个馈送装置。这在波束之间创建两个馈送装置的交叠378。交叠的馈送装置由两个SSPA供电，一个SSPA接收输入信号1 346A，另一SSPA接收输入信号2346B。这创建了与波导波束形成网络相同的效果，而没有重量和复杂性。

本公开内容的各个方面不限于可以在波束之间重新分配功率的速率。在某些情况下，可能期望永久地分配波束和SSPA的数量以服务于固定客户。在其他情况下，可能期望在波束之间动态地重新分配功率，以服务于数小时或数分钟跨度中变化的业务模式。一方面，可以在超级帧基础上以有效地作为波束跳跃布置的方式重新分配功率。波束跳跃将使得更多的波束能够在给定的时间段期间处于活动状态，从而在资源如何分配并且降低上行链路带宽/网关要求的方面提供更好的粒度。

本公开内容的自适应方面具有优于现有功率共享技术的优点。使用小型SSPA放大器使得功率能够以DC而不是RF水平在波束之间移动。通过在波束之间移动高功率RF进行常规的功率共享需要相对较大、复杂、较重且昂贵的部件，例如TWTA、波导、OMUX和MPA。利用SSPA进行动态功率共享使得能够在电路板上构建整个有效载荷，从而使其更轻、更易于制造。当与大型可打开的反射镜耦接时，这些重量轻的有效载荷可以针对与具有几十个波束的常规有效载荷相同的有效载荷质量和功率生成数百个或数千个波束，并且具有更大的功率共享灵活性。

由于构建周期相对较短，因此新的微型HTS系统的部署是自适应处理。新的微型卫星可以部署在需求增长最快的地方。相反，如果需求增长比预期慢，则新的卫星的部署可以分散在更长的时间。

一方面，基于微型HTS的部署包括优选地小于400kg的微型卫星，其可以本身或以小的组的形式作为其他卫星发射上的次级有效载荷发射，在大多数情况下是向对地静止转移轨道(Geostationary Transfer Orbit，GTO)发射的。微型卫星包括电推进功能，使得它们能够以具有100kg到150kg的可用有效载荷从GTO到达对地静止轨道(GeostationaryOrbit，GSO)。微型卫星的功率在1kW至3kW的范围内，从而使卫星的成本最小化。

微型卫星优选地使用可打开的反射器，使得可以以尽可能少的有效载荷功率来实现高的有效各向同性辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power，EIRP)。也可以使用固定的或其他可展开的反射器。

一方面，微型卫星优选地使用小、轻且有效地为大量天线馈送装置和点波束供电的SSPA放大器，优选地是GAN放大器。如上所述，有效载荷将使用瓦片配置和SSPA功率共享。

一方面，微型卫星使用用于有效载荷的灵活通道器将微型卫星的频率计划调整为给定轨位处的可用频谱。通道器优选地是模拟“弯管”通道器。在另一方面，使用数字通道器。

一方面，微型卫星被单独或成组地部署在单个或多个轨位处，以覆盖常规地由单个大型HTS卫星覆盖的用于移动服务的区域。可以将另外的微型卫星添加到初始轨位，以与初始部署交叠并增加容量，或者覆盖相邻地区并扩大覆盖范围。

图4C示出了根据本公开内容的一方面的处理410。该处理开始于框B412。在框B414中，基于用户业务确定地理覆盖区域。在框B416中，确定覆盖该覆盖区域的微型卫星的数量。在框B418中，将微型卫星部署在覆盖区域内。在框B420中，基于需求调整微型卫星的数量。

使用较小、较简单的微型卫星使得新卫星和新技术能够更快地推向市场。这使得卫星所有者/运营商能够对不断变化的需求做出更多的响应，并减少关键地区容量不足或购买能力过剩的风险。

常规HTS卫星的交货期较长意味着每个新的HTS卫星不仅必须满足在投入服务时的预期的需求，而且还要满足数年后的需求。这需要将需求预测到未来的6至8年，这是有风险的，并且在HTS投入服务时会导致未使用的容量。HTS的寿命开始时的未使用的容量会造成浪费。通过将单个大型HTS卫星的容量划分到多个微型卫星中意味着每个微型卫星被更快地填充，并且在微型卫星的整个生命周期中浪费的容量较少。

因此，已经描述了用于卫星的方法和系统。注意，在整个说明书中对“一个方面”(或“实施方式”)或“方面”的引用意味着结合该方面描述的特定特征、结构或特性包括在本公开内容的至少一个方面中。因此，强调并且应当理解的是，在本说明书的各个部分中对“方面”或“一个方面”或“替选方面”的两个或更多个引用不一定都指相同方面。此外，如本领域普通技术人员将认识到的，在本公开内容的一个或更多个方面中，可以适当地组合所引用的特定特征、结构或特性。

尽管以上关于当前被认为是其优选方面的内容描述了本公开内容，但是应当理解，本公开内容不限于上述描述。相对地，本公开内容意在涵盖在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等同布置。

根据上述描述可知，本发明的实施例还公开了以下技术方案，包括但不限于：

方案1.一种卫星有效载荷系统，包括：

多个焦平面阵列瓦片，所述多个焦平面阵列瓦片与反射器对接，用于接收和发送信号；

其中，所述多个焦平面阵列瓦片的焦平面阵列瓦片包括接收部、发送部和切换模块；

其中，所述接收部包括：第一过滤器，其将接收信号与发送信号隔离；低噪声放大器，其将所述接收信号放大；以及第一频率转换模块，其将所述接收信号的频率转换为中频；

其中，所述发送部包括第二频率转换模块，所述第二频率转换模块将所述发送信号的频率转换为射频；以及

其中，所述切换模块接收来自所述接收部的输出以及将所述输出切换到另外的焦平面阵列瓦片。

方案2.根据方案1所述的系统，其中，在所述接收部处的接收元件与所述发送部处的发送元件之间使用正交极化来将所述接收信号与所述发送信号隔离。

方案3.根据方案1所述的系统，其中，来自所述接收部的输出通过所述切换模块被路由至所述发送部。

方案4.根据方案1所述的系统，其中，所述接收部包括用于所述接收信号的相位控制的第一移相器，并且所述发送部包括用于所述发送信号的相位控制的第二移相器。

方案5.根据方案1所述的系统，其中，所述多个焦平面阵列瓦片的多个发送元件被分组在一起以形成用于发送信号的发送链。

方案6.根据方案1所述的系统，其中，所述多个焦平面阵列瓦片的多个接收元件被分组在一起以形成用于接收信号的接收链。

方案7.根据方案1所述的系统，其中，所述发送部包括放大器，以将所述第二频率转换模块的输出放大。

方案8.一种卫星有效载荷系统，包括：

多个有源透镜瓦片，所述多个有源透镜瓦片与多个焦平面瓦片对接，所述多个焦平面瓦片与反射器对接，用于接收和发送信号；

其中，所述多个有源透镜瓦片的有源透镜瓦片包括接收部和发送部；

其中，所述有源透镜瓦片的所述接收部包括：第一过滤器，其将所述发送部的发送信号与接收信号隔离；以及低噪声放大器，其将所述接收信号放大；以及

其中，所述有源透镜瓦片的所述发送部包括高功率放大器，以将接收所述发送信号的移相器的输出放大；

其中，所述多个焦平面瓦片的焦平面瓦片包括接收部、发送部和切换模块，

其中，所述焦平面瓦片的所述接收部包括第一频率转换模块，以将所述接收信号的频率转换为中频；

其中，所述发送部包括第二频率转换模块，所述第二频率转换模块将所述发送信号的频率转换为射频；以及

其中，所述切换模块接收来自所述焦平面瓦片的所述接收部的输出以及将所述输出切换到另外的焦平面瓦片。

方案9.根据前述方案中任一项所述的系统，其中，所述多个有源透镜瓦片和所述焦平面瓦片被放置在罐形结构中，使得所述有源透镜瓦片被放置在所述焦平面瓦片上方。

方案10.根据前述方案中任一项所述的系统，其中，来自所述焦平面瓦片的所述接收部的输出通过所述切换模块被路由至所述焦平面瓦片的所述发送部。

方案11.根据前述方案中任一项所述的系统，其中，所述有源透镜瓦片的所述接收部包括用于所述接收信号的相位控制的第一移相器。

方案12.根据前述方案中任一项所述的系统，其中，所述多个有源透镜瓦片的多个发送元件被分组在一起以形成用于发送信号的发送链。

方案13.根据前述方案中任一项所述的系统，其中，所述多个有源透镜瓦片的多个接收元件被分组在一起以形成用于接收信号的接收链。

方案14.根据前述方案中任一项所述的系统，其中，所述焦平面瓦片的所述发送部包括放大器，以将来自所述第二频率转换模块的输出放大。

方案15.一种卫星有效载荷系统，包括：

多个有源反射器瓦片，所述多个有源反射器瓦片与多个焦平面瓦片对接，所述焦平面瓦片与反射器对接，用于接收和发送信号；

其中，所述多个有源透镜瓦片的有源反射器瓦片包括接收部和发送部；

其中，所述有源透镜瓦片的所述接收部包括：第一环行器，其将所述发送部的发送信号与接收信号隔离；以及低噪声放大器，其将所述接收信号放大；以及

其中，所述有源反射器瓦片的所述发送部包括：第二环行器，其将所述发送信号与所述接收信号隔离；以及高功率放大器，其将接收所述发送信号的移相器的输出放大；

其中，所述多个焦平面瓦片的焦平面瓦片包括接收部、发送部和切换模块，

其中，所述焦平面瓦片的所述接收部包括第一频率转换模块，以将所述接收信号的频率转换为中频；

其中，所述焦平面瓦片的所述发送部包括第二频率转换模块，所述第二频率转换模块将所述发送信号的频率转换为射频；以及

其中，所述切换模块接收来自所述焦平面瓦片的所述接收部的输出以及将所述输出切换到另外的焦平面瓦片。

方案16.根据方案15所述的系统，其中，所述多个有源反射器瓦片和所述焦平面瓦片被布置成阵列。

方案17.根据方案15所述的系统，其中，来自所述焦平面瓦片的所述接收部的输出通过所述切换模块被路由至所述焦平面瓦片的所述发送部。

方案18.根据方案15所述的系统，其中，所述有源反射器瓦片的所述接收部包括用于所述接收信号的相位控制的第一移相器。

方案19.根据方案15所述的系统，其中，所述有源反射器瓦片使用交叉极化来将所述接收信号与所述发送信号隔离。

方案20.根据方案15所述的系统，其中，所述有源反射器瓦片使用频率转换来将所述接收信号与所述发送信号隔离。