1 卫星通信技术
随着卫星通信技术的发展，地面与卫星通信已经非常成熟，如今民用卫星通信需求越来越大，卫星电话越来越普及。尤其是我国天通一号卫星的发射和商用，标志着我国进入了卫星移动通信时代，填补国家民商用自主卫星移动通信服务空白，具有重要的里程碑意义。天通卫星在地球同步轨道上运行，距离地表3万6千公里。地面手持卫星电话与天通卫星通信，需要足够大的发射功率；同时，要求卫星电话等终端的天线增益尽量大；且要求波瓣宽度不能太窄。
目前，手持卫星电话的13mm四臂螺旋天线，要求在70°波瓣宽度下，最大增益即顶点增益大约在5dBi，在法向±35°的区间内增益大于2dBi。手持卫星电话输出的传导功率33dBm，加上天线增益2~5dBi，向外辐射的等效最大功率在35~38dBm左右[1]。
由于天通卫星在地球同步轨道上，位置相对地球是静止的，而地面手持卫星电话的天线因要求高增益而具有很强的方向性。因此，要求手持卫星电话与天通卫星通行时需要“对星”----使卫星电话的天通天线对着天通卫星的方向（天通一号01星大概位置在我国西南方向的赤道上空）。如此，以最佳的角度通信，信号强度最大，能最快速的建立信令连接，具备稳定可靠通信的基础。
图1 卫星电话通信示意图
然而，目前民用卫星通信需求急剧上升，场景多种多样。在一些场合，如室内、地下或人防工程内，如何保证手持卫星电话继续提供通信服务，成为这领域的难点。
本文设计了一套卫星信号发射与接收装置，可以解决地下或人防工程内，无法接收卫星信号的问题。可提供可靠的卫星通信服务和位置信息请求服务，在避险、应急救灾方面，发挥重要作用。
2 系统总体设计
系统框图如下所示，整个系统可分为地表单元、通信线缆、地下单元和手持卫星电话四部分组成。
图2 系统框图
（1）地表单元：一是负责接收地表GNSS卫星信号和天通卫星信号，并放大后输出给地下单元；二是负责放大来自地下单元输出的天通信号，并通过天线发射出去。
（2）通信线缆：需要选择插入损耗较低的射频同轴线缆，本系统选择的是50米同轴线缆，0.3dB/米，插损实测值约15dB。
（3）地下单元：一是将来自地表单元传输过来的信号辐射到地下空间，形成一定范围的强辐射场，以支持地下人员的手持卫星电话等设备，能够进入天通网络和获取GNSS位置信息；二是负责接收地下的手持卫星电话发射出来的天通信号，并将信号传输到地表单元放大后再发射出去。
（4）手持卫星电话：负责发射和接收天通信号，以及获取GNSS位置信息等。
3地表单元
地表单元简要框图如下图所示：
图3 地表单元框图
地表单元又分为2个子单元：一是GNSS信号处理子单元；二是天通卫星信号处理子单元。两个子单元通过功分器合路到SMA接口，合路信号经SMA口通过50米同轴线缆传输至地下单元。
3.1 GNSS信号处理单元
GNSS单元包含天线、滤波器、LNA等器件。具体的：
（1）设计了一款GNSS陶瓷天线，用于接收地表GNSS卫星信号。
（2）因需要长距离传输至地下单元，在选择插损较小的同轴线缆前提下，仍有15dB损耗，因此需要在链路中增加设计LNA放大管。
（3）考虑到地下单元GNSS天线通过辐射场的耦合形式与地下手持机相连，空口耦合损耗也必将轻易达到20dB以上，为了增强GNSS覆盖距离，在地表单元内部的GNSS链路设计中，采用了2级LNA放大，总增益达到50dB以上，可以满足地下数米范围内的GNSS设备获取位置信息，满足使用场景的需求。
（4）为避免接收机受饱和，需要在每一级LNA管子放大前，串入GNSS带通滤波器，先把带外信号抑制到较低水平。
3.2 天通卫星信号处理单元
天通卫星单元分为发射和接收通路。
（1）发射链路：包含LNA、滤波器和PA等器件。具体的：
虽然卫星电话发射出来的等效辐射功率有35dBm，但由于50米线缆插损15dB，以及考虑到地下天线单元数米范围内的空口损耗40dB，发射链路需要55dB增益来补偿功率，则需要2级放大。由于空口损耗和线缆损耗总计达到55dB时，信号幅度从卫星电话发射端的35dBm已经降到-20dBm左右，幅度比较低，如果不放大，根本不足以获取信令连接。小信号放大，地表单元第一级放大单元可选择25dB增益的LNA管子放大信号至5dBm，提高功率的同时，可以抑制噪声放大[2]；再经过天通带通滤波器抑制带外信号后，第二级放大单元，底噪放已经不能满足需求，需采用大功率器件，本设计采用30dB增益的PA放大，达到35dBm左右，经天通天线发射出去[3]。
（2）接收链路：包含LNA和滤波器等器件。具体的：
本设计中，考虑到接收到的天通卫星信号，需要经过50米同轴线缆传输到地下单元，以及地下单元天线板的辐射损耗，到达地下手持卫星电话的信号电平必将很低，无法解调。
因此，接收链路中增加设计了2级LNA放大电路。需要选择合适的LNA增益，本设计选择25dB增益的LNA放大管，2级串联增益达到50dB左右，基本能够补偿线缆损耗和空口损耗，满足使用场景的需求。
4地下单元
地下单元简要框图如下图所示：
图4 地下单元框图
地下单元，包含GNSS天线和天通卫星天线两条链路，经双工器合路，通过SMA口和同轴线缆连接到地表单元。它的作用，在系统总体设计章节已经阐述，在此不再累述。
5小结
本系统提到的电子装置，一是接收端，卫星信号（包括GNSS信号和天通卫星信号）经过地表单元2级放大后幅度增强50dB，经过50米同轴线缆15dB衰减下，地下单元天线端的信号幅度仍比地表高约35dB；在空口损耗35dB范围内的数米范围内，GNSS定位能力仍可达到地表水平；接收到的天通信号的强度也不低于地球表面直接接收的强度。二是发射端，同理，在一级25dB增益的LNA和一级30dB增益的PA放大下，地表发射单元最终辐射等效功率可大35~38dBm，达到地面与天通卫星通信的要求。因此，通过地表单元和地下单元的协同作用，可以有效解决地下环境中，卫星电话无法连接网络和获取位置信息的问题。
参考文献：
[1] 中国电信移动终端需求白皮书--手持卫星终端分册（2020）.
[2] 张思翼.LNA自动测试系统设计.同济大学硕士学位论文.2007年2月.
[3] P.Reynaret and M.Steyear, RF Power Amplifiers for Mobile Communications,Dordrecht,The Netherlands,Springer,2006:356~366.
