【導(dǎo)讀】采用有源電子掃描天線(AESA)進(jìn)行衛(wèi)星通信(satcom)，為運營商和消費者提供了更大的靈活性。本文介紹為這些波束成形陣列選擇天線前端(FE)組件（低噪聲放大器和功率放大器）的設(shè)計考慮因素。
簡介
衛(wèi)星技術(shù)問世已有60多年的時間。盡管早期的衛(wèi)星受發(fā)射條件和尺寸的限制，都是發(fā)射到近地軌道(LEO)i，我們最熟悉的要屬地球同步軌道(GEO)ii衛(wèi)星，它們?yōu)槲覀兲峁╇娦拧⑿l(wèi)星電視、地球觀測等服務(wù)，也為政府和軍隊提供廣泛的服務(wù)。但是，現(xiàn)在情況大為轉(zhuǎn)變，LEO和中軌道(MEO)iii成為對許多大型星座更具吸引力的軌道，這些星座提供多種基于數(shù)據(jù)的服務(wù)（例如衛(wèi)星通信、地球觀測和地圖、導(dǎo)航和定位等）。圖1顯示LEO、MEO和GEO之間的相對位置。
導(dǎo)致向非GEO轉(zhuǎn)變的因素有很多，例如發(fā)射成本降低、采用批量衛(wèi)星制造技術(shù)、通信、天線技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展、支持衛(wèi)星互聯(lián)的光學(xué)技術(shù)，以及大量私有資本涌現(xiàn)，為這些大型項目提供資金支持。
由于LEO中越來越多地使用航天器，這給在軌衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計人員帶來了新的挑戰(zhàn)。GEO的固定通信鏈路現(xiàn)在已被可適應(yīng)性的鏈路取代，使得這些鏈路即使在7.5 km/s以內(nèi)的速度繞地球運行時，也能與地球上的地點進(jìn)行通信。這些現(xiàn)代化的衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用AESA，不僅能根據(jù)預(yù)期目標(biāo)將天線信號調(diào)整到正確方向，還支持多波束，以便同時為多位用戶提供支持。對于組件選擇，在軌衛(wèi)星有獨特的要求，對于將天線元件連接至發(fā)射和接收信號鏈的FE組件，其要求尤甚。本文從設(shè)計角度出發(fā)，詳細(xì)探討為這類系統(tǒng)選擇FE（放大器）組件時需考慮的因素。
從GEO轉(zhuǎn)向LEO
GEO衛(wèi)星也能提供出色的服務(wù)——為何要做出改變？
雖然GEO衛(wèi)星存在發(fā)射成本高這個缺點，但它也有諸多優(yōu)點，比如說，因為軌道與地球同步轉(zhuǎn)動，所以它們在天空中的位置是固定的。這讓我們能夠部署位置固定的衛(wèi)星天線和成本相對較低的VSAT端子，該端子采用拋物面天線，這是助力提供數(shù)據(jù)服務(wù)，特別是直接入戶(DTH)衛(wèi)星電視服務(wù)的關(guān)鍵推動因素。GEO中的衛(wèi)星提供最大的地球覆蓋面積（如圖2所示），只需要三個GEO衛(wèi)星，就能覆蓋整個地球表面。iv
盡管GEO具有這些優(yōu)勢，但在多種關(guān)鍵因素的推動下，我們開始轉(zhuǎn)向LEO中的衛(wèi)星，最主要是因為通信網(wǎng)絡(luò)在不斷發(fā)展。我們生活在高度互聯(lián)的世界，但實際上，全球有很大部分人口都居住在互聯(lián)網(wǎng)連接匱乏，甚至是沒有網(wǎng)絡(luò)連接的地區(qū)，比如說，位于赤道平面的GEO給極地地區(qū)提供的服務(wù)就會減少。LEO中的大型通信星座就能給這些地區(qū)帶來相對高速的網(wǎng)絡(luò)連接。而對于目前已部署互聯(lián)網(wǎng)連接的地區(qū)，LEO星座能為消費者和B2B提供更高的等同于光纖的數(shù)據(jù)速率。推薦使用的LEO星座的尺寸中包含一些內(nèi)置冗余，隨著可用衛(wèi)星的數(shù)量不斷增多，使其獲得了網(wǎng)絡(luò)彈性優(yōu)勢。對政府和軍事用戶，以及商界來說，這種彈性優(yōu)勢非常有用。最后，其制造和發(fā)射成本更低，這意味著出現(xiàn)新技術(shù)時易于升級衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。
圖1.LEO、MEO和GEO軌道的比較。
圖2.GEO、MEO和LEO的地球表面覆蓋范圍。
衛(wèi)星軌道
非GEO星座由特定軌道中的衛(wèi)星，或者由多個軌道中的衛(wèi)星混合而成。常用的軌道包括赤道軌道（MEO中的SES O3b mPOWER星座使用的軌道），其中的衛(wèi)星通常繞赤道運行；傾斜軌道，該軌道偏離赤道軌道一定的角度，方向從西到東，與地球自轉(zhuǎn)的方向一致；以及極地軌道，其中每顆衛(wèi)星將沿著特定的經(jīng)度線繞每個極點運行（例如OneWeb）。有一些大型LEO星座，例如Telesat Lightspeed和SpaceX Starlink，混合使用傾斜軌道和極地軌道來實現(xiàn)對北方地區(qū)的最佳覆蓋，這是因為傾斜軌道只能在一定的緯度范圍內(nèi)運行。極地軌道是這三種軌道中全球覆蓋率最佳的軌道，但是，它需要耗費更多能量來進(jìn)行定位，所以，一般與傾斜軌道中的衛(wèi)星配合使用，在北緯范圍提供額外的覆蓋范圍。極地軌道也更易受到輻射影響。衛(wèi)星呈環(huán)狀排列，它們距離地球表面的高度是恒定的。星座的規(guī)模等于平面的數(shù)量乘以每個面中的衛(wèi)星數(shù)量（參見圖3）。v
探秘LEO星座
有些星座已經(jīng)發(fā)射，或者計劃向LEO發(fā)射幾百顆，在有些情況下為幾千顆小型衛(wèi)星。比起GEO鏈路，LEO中的衛(wèi)星具有兩個明顯的衛(wèi)星通信優(yōu)勢。第一，因為軌道本身的高度，信號延遲降低。地球與LEO衛(wèi)星之間的信號傳輸路徑距離更短（約為GEO衛(wèi)星的1/35），信號延遲降低了一個數(shù)量級，約25 ms，有人認(rèn)為，憑借著自身提供數(shù)據(jù)密集型實時服務(wù)的潛力，LEO衛(wèi)星通信將能助力擴(kuò)展5G服務(wù)。第二個優(yōu)勢在于，單個LEO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)容量一般都集中在更小的區(qū)域，因此能為個人用戶提供更大的數(shù)據(jù)帶寬，具體取決于該星座的整體數(shù)據(jù)容量。在覆蓋范圍內(nèi)，衛(wèi)星一般會生成多條下行鏈路波束，以連接多個用戶/集線器。這些在空間中彼此獨立的波束可以重復(fù)使用分配的頻率，由此避免波束之間相互干擾，并優(yōu)化數(shù)據(jù)的可用性。高通量衛(wèi)星（HTS和vHTS）也具有集中提供數(shù)據(jù)的能力；但是，GEO衛(wèi)星的總數(shù)據(jù)容量要低于典型LEO星座的容量。vi具有高數(shù)據(jù)容量的大型星座的限制在于，每次提供給用戶的數(shù)據(jù)容量只占總數(shù)據(jù)容量的一部分（33%至50%），因為有些衛(wèi)星航空器的運行軌跡恰好是在海洋上空，或是在無人居住的區(qū)域。
星座的規(guī)模會影響到成本及其工作壽命
星座衛(wèi)星采用量產(chǎn)技術(shù)制造，其成本更低，而因為其工作壽命更短、所處的環(huán)境輻射更低，因此能采用成本更低、非氣密、通常為塑料封裝的組件。LEO衛(wèi)星的工作壽命一般為5到7年。隨著LEO中的大氣阻力增加，保持在軌運行需要耗費更多燃料，而LEO衛(wèi)星尺寸小，能攜帶的燃油量有限，這會影響到其工作壽命。LEO衛(wèi)星的輻射耐受性要求一般也更低。例如，對于LEO衛(wèi)星使用的組件，其可接受的總電離輻射劑量(TID)vii性能水平在30 krad以內(nèi)；而GEO衛(wèi)星的工作壽命更長，遭受的輻射更強，該性能值一般需要達(dá)到100 krad。
圖3.LEO星座的軌道配置組合。
LEO面臨的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵的推動技術(shù)
現(xiàn)在，管理星座數(shù)據(jù)流的復(fù)雜程度越來越高。我們通過衛(wèi)星間的鏈路(ISL)（使用射頻鏈路或光學(xué)鏈路）將數(shù)據(jù)從地面接收站路由傳輸?shù)叫亲Ｒ驗長EO衛(wèi)星并非始終都在地面接收站的接收范圍之內(nèi)，所以這種傳輸非常必要。
從地面觀察，會發(fā)現(xiàn)非GEO衛(wèi)星在天空中移動，這一點與位置固定的GEO衛(wèi)星不同。這是影響保持衛(wèi)星在軌所需的軌道速度的因素之一。由于大氣阻力增加且所處的軌道位置更低，相比更高軌道中的衛(wèi)星，LEO衛(wèi)星必須以更快速度運行。建議Starlink星座使用的其中一個衛(wèi)星空間站距離地面550 km。在這個高度，飛行速度為7.5 km/s，這意味著對于用戶來說，這個空間站中單個衛(wèi)星的可見時間僅為4.1分鐘。GEO衛(wèi)星用戶可以使用衛(wèi)星上的固定天線，而LEO衛(wèi)星服務(wù)用戶則必須使用能夠跟蹤LEO衛(wèi)星軌跡的天線，在該衛(wèi)星劃過天際時進(jìn)行跟蹤。同樣，衛(wèi)星在軌移動時，其天線必須能夠跟蹤地面服務(wù)區(qū)域。MEO中的衛(wèi)星（例如O3b星座）使用機(jī)械轉(zhuǎn)向天線，可能是因為它們的軌道速度更慢。LEO衛(wèi)星可能需要使用某種形式的AESA，因為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能無法滿足其跟蹤要求。LEO除了需要可轉(zhuǎn)向波束外，還需要多波束。多波束使衛(wèi)星能夠優(yōu)化面向多個數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)或服務(wù)區(qū)域的服務(wù)和數(shù)據(jù)吞吐量。LEO應(yīng)用需要的是一種能夠獨立支持多波束電子波束轉(zhuǎn)向的天線。有些星座建議每顆衛(wèi)星提供多達(dá)16束可轉(zhuǎn)向的用戶波束。
這些星座保持靈活性的關(guān)鍵在于：采用支持波束轉(zhuǎn)向的天線來保持通信鏈路——主要的衛(wèi)星通信/EO上行鏈路/下行鏈路，或者輔助性的跟蹤、遙測和控制(TT&C)鏈路。
AESA和波束成形
傳統(tǒng)的拋物形天線一般是為發(fā)送器和接收器提供單個饋電，天線一般指向固定方向，或者可通過機(jī)械方式調(diào)節(jié)方向。電子波束轉(zhuǎn)向陣列天線由多個天線元件組成，這些元件的輻射圖從結(jié)構(gòu)上與陣列中的相鄰元件組合，構(gòu)成所謂的主瓣（參見圖4）。主瓣將輻射能量傳輸至所需的方向。理想情況下，主瓣攜帶要發(fā)射的所有能量，但因為一些非理想情況，有些能量會輻射到旁瓣，也就是說，偏離所需的方向。天線設(shè)計力求使主瓣攜帶的能量盡可能多，旁瓣攜帶的能量盡可能少。我們可以通過調(diào)節(jié)天線元件的單個振幅和相位來調(diào)節(jié)主瓣的形狀和方向。現(xiàn)代IC技術(shù)可以采用以微秒量級更新的可調(diào)增益和相位，即使在衛(wèi)星和空中應(yīng)用使用的大型元件陣列中也能提供快速轉(zhuǎn)向。viii旁瓣減少對于LEO應(yīng)用來說非常關(guān)鍵，因為衛(wèi)星對地的距離很近，旁瓣會導(dǎo)致干擾。
圖4.一維陣列中的波束轉(zhuǎn)向概念。1
AESA的FE元件選擇
衛(wèi)星通信系統(tǒng)屬于頻分雙工(FDD)系統(tǒng)，發(fā)送器和接收器采用不同的頻率。這些系統(tǒng)通常使用單獨的天線，按照分配的頻段進(jìn)行上行鏈路和下行鏈路通信。
與航空航天和防御領(lǐng)域的大部分應(yīng)用一樣，尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)是決定在系統(tǒng)和子系統(tǒng)中選用具體元件的關(guān)鍵特性。對于在軌應(yīng)用，尺寸和重量受到發(fā)射能力限制，發(fā)射的系統(tǒng)更大、更重，發(fā)射成本會更高昂。事實上，在大型星座中，每顆衛(wèi)星都必須和預(yù)先確定的形狀一致，以便火箭的發(fā)射臺發(fā)射多顆衛(wèi)星。此外，由于在軌系統(tǒng)幾乎完全依靠太陽能供電，所以在選擇元件時，電池備用系統(tǒng)、功耗都是關(guān)鍵的規(guī)格參數(shù)。
對于在軌應(yīng)用陣列天線設(shè)計師來說，受陣列尺寸和元件間距影響，F(xiàn)E元件（接收天線采用LNA；發(fā)射天線采用驅(qū)動器/PA）的尺寸應(yīng)盡可能小，因為陣列中的每個元件都配有前端，需要配備多個元件，這些元件必須盡可能貼近元件天線，以降低線路損耗。線路損耗會直接影響到噪聲系數(shù)。典型的實施方案可能包括一個波束成形核心芯片，該芯片對接多個天線元件，每個元件都采用自己的FE器件（接收器采用LNA，收發(fā)器采用驅(qū)動器和/或PA）。高增益接收天線在實現(xiàn)FE時，可能會將幾個高增益LNA串聯(lián)起來，以實現(xiàn)所需的輸入增益。在這種情況下，元件尺寸非常重要，因為元件間距會隨著頻率的增高而減小。在使用Ka頻段接收器（26 GHz至28 GHz）時，對于λ/2晶格間距，元件間距約為5 mm。LEO應(yīng)用要保持寬掃描角度，這就決定了陣列元件要按λ/2的間距排列。GEO平臺使用的天線陣列的掃描要求不會如此嚴(yán)格(±9)，在確定元件之間的最小間距時，具有更高的靈活性。最新的LNA采用2 mm × 2 mm封裝，更易于管理關(guān)鍵元件布局，許多LNA的封裝中還包含DC模塊和RF扼流圈，以進(jìn)一步簡化布局流程。
為在軌應(yīng)用選擇放大器時，器件性能非常關(guān)鍵。對于LEO衛(wèi)星接收器天線，噪聲系數(shù)（NF，單位為dB）是非常關(guān)鍵的因素，它會影響系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，后者直接影響陣列中需使用的元件數(shù)量，因此也會影響天線的尺寸。大家回想一下，LEO衛(wèi)星要比GEO衛(wèi)星小巧；所以，部署天線的空間會非常有限。在典型的陣列中，系統(tǒng)噪聲系數(shù)必須<2 dB，才能保持陣列尺寸可控。系統(tǒng)噪聲系數(shù)降低1 dB，天線元件的數(shù)量可以減半，所以，LNA噪聲系數(shù)是影響系統(tǒng)噪聲系數(shù)的關(guān)鍵因素。LNA增益也很重要，因為要恢復(fù)和放大接收信號，都需要高增益。一般會部署多個FE LNA級來提供足夠的增益。我們必須在多變的大氣環(huán)境下保持通信鏈路，所以FE器件線性度（通過輸出IP3測量）是一項關(guān)鍵規(guī)格。雖然接收器信號強度主要是由地面發(fā)射站決定的，但要保持可行的最大數(shù)據(jù)速率（使用復(fù)雜的調(diào)制方案），接收器線性度非常重要。 ADL8142 （低功耗Ka頻段LNA）等器件可以通過調(diào)節(jié)功耗(IDQ)來補償接收路徑的變化，以擴(kuò)展其線性度。對于發(fā)射天線，F(xiàn)E是驅(qū)動器放大器或PA。同樣，線性度也是確保可行的最高傳輸速率的關(guān)鍵，但是輸出功率(OP1dB)將決定每個天線元件可貢獻(xiàn)的功率量。對于在軌應(yīng)用，輸出放大器的功率附加效率(PAE)非常重要，原因有兩個：(1)太陽能板（或備用電池）能提供的功率有限，(2)低效放大器需要更多的冷卻來處理非轉(zhuǎn)換功率產(chǎn)生的熱量。
ADI用于衛(wèi)星通信的IC
ADI公司開發(fā)了多種器件來滿足各種應(yīng)用的要求，這些應(yīng)用采用波束成形技術(shù)，包括衛(wèi)星通信、民用和軍用雷達(dá)，以及5G通信。特別是，在衛(wèi)星通信領(lǐng)域， ADAR3000 和 ADAR3001 分別提供星載Ka頻段發(fā)射和接收波束成形。兩種器件均能提供4波束/16通道波束成形功能，采用可編程的時間延遲和衰減。每種器件都采用緊湊的BGA封裝。為了完善該波束成形IC，我們采用ADAR5000（4:1 Wilkinson功率分配器/功率合成器）來進(jìn)行波束分配，采用包括ADL8142 LNA在內(nèi)的天線FE選項來支持Ka頻段（23 GHz至31 GHz）中的在軌應(yīng)用。ADL8142采用小型2 mm × 2 mm LFCSP/ QFN封裝，旨在優(yōu)化實現(xiàn)低噪聲系數(shù)(1.6 dB)、高線性度(20 dBm OIP3)和高增益(27 dB)，在采用1.5 V輸入電壓時，功耗僅為50 mW。請參見圖5獲取有關(guān)ADL8142增益和噪聲系數(shù)的詳細(xì)信息。ADL8142提供 COTS 和 商用 版本。在發(fā)射端，可以使用 ADL8107 （8 GHz至15 GHz，28 dB增益，19 dBm P1dB）或 HMC498 （17 GHz至24 GHz，22 dB增益，26 dBm P1dB）等高增益和高線性度器件來作為元件驅(qū)動器。請參見圖6，獲取有關(guān)ADL8107增益和輸出P1dB的更多信息。
圖5.ADL8142—增益（左）和噪聲系數(shù)（右）與溫度和頻率的關(guān)系。2
圖6.ADL8107增益(S21)（左）和P1dB（右）。3
結(jié)論
波束成形天線使最新的非GEO衛(wèi)星星座能夠提供普遍、靈活和高帶寬的數(shù)據(jù)通信。波束成形天線設(shè)計師能夠利用ADI公司靈活的信號鏈元件產(chǎn)品，從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器到頻率轉(zhuǎn)換器，以及波束成形器到FE元件。在整個信號鏈中，天線前端至關(guān)重要，它們不僅決定整個系統(tǒng)的噪聲性能，還必須符合具體的機(jī)械和功耗限制。ADI將開發(fā)一系列高性能器件，例如ADL8142 LNA來滿足在軌衛(wèi)星通信的獨特需求。
參考電路
1 Keith Benson。 “相控陣波束成形IC簡化天線設(shè)計”。 模擬對話，第53卷第01期，2019年1月。
2 ADL8142數(shù)據(jù)手冊。（ADI公司，2022年）。
3 ADL8107數(shù)據(jù)手冊。（ADI公司，2022年）。
i LEO是指地球表面上方約160 km至2000 km的范圍。
ii GEO是指地球表面上方約35,786 km（22,236英里）的范圍。
iii MEO介于LEO和GEO之間，例如，O3b位于地球表面上方8000 km的MEO中。
iv 覆蓋范圍限于南北緯度。
v 除此以外，還有一些額外的備用衛(wèi)星，用于實現(xiàn)冗余。
vi Telesat Lightspeed最初的設(shè)計目標(biāo)是提供294顆衛(wèi)星的15 Tbps數(shù)據(jù)容量。一顆典型的VHTS可以提供2 Tbps到3 Tbps數(shù)據(jù)容量（2022年）。
vii TID-累積暴露在電離源中，可能導(dǎo)致設(shè)備閾值發(fā)生變化，導(dǎo)致泄漏風(fēng)險增大，或者出現(xiàn)故障。
viii 請閱讀以下文章，了解有關(guān)波束成形的更多詳細(xì)信息。
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