【導(dǎo)讀】采用有源電子掃描天線(xiàn)(AESA)進(jìn)行衛(wèi)星通信(satcom),為運(yùn)營(yíng)商和消費(fèi)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(xiàn)前端(FE)組件(低噪聲放大器和功率放大器)的設(shè)計(jì)考慮因素。
簡(jiǎn)介
衛(wèi)星技術(shù)問(wèn)世已有60多年的時(shí)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?、衛(wèi)星電視、地球觀(guān)測(cè)等服務(wù),也為政府和軍隊(duì)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(duì)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(guān)測(cè)和地圖、導(dǎo)航和定位等)。圖1顯示LEO、MEO和GEO之間的相對(duì)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(xiàn)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(xiàng)目提供資金支持。
由于LEO中越來(lái)越多地使用航天器,這給在軌衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)人員帶來(lái)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?xún)?nèi)的速度繞地球運(yùn)行時(shí),也能與地球上的地點(diǎn)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(xiàn)信號(hào)調(diào)整到正確方向,還支持多波束,以便同時(shí)為多位用戶(hù)提供支持。對(duì)于組件選擇,在軌衛(wèi)星有獨(dú)特的要求,對(duì)于將天線(xiàn)元件連接至發(fā)射和接收信號(hào)鏈的FE組件,其要求尤甚。本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā),詳細(xì)探討為這類(lèi)系統(tǒng)選擇FE(放大器)組件時(shí)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(gè)缺點(diǎn),但它也有諸多優(yōu)點(diǎn),比如說(shuō),因?yàn)檐壍琅c地球同步轉(zhuǎn)動(dòng),所以它們?cè)谔炜罩械奈恢檬枪潭ǖ?。這讓我們能夠部署位置固定的衛(wèi)星天線(xiàn)和成本相對(duì)較低的VSAT端子,該端子采用拋物面天線(xiàn),這是助力提供數(shù)據(jù)服務(wù),特別是直接入戶(hù)(DTH)衛(wèi)星電視服務(wù)的關(guān)鍵推動(dòng)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(gè)GEO衛(wèi)星,就能覆蓋整個(gè)地球表面。iv
盡管GEO具有這些優(yōu)勢(shì),但在多種關(guān)鍵因素的推動(dòng)下,我們開(kāi)始轉(zhuǎn)向LEO中的衛(wèi)星,最主要是因?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)在不斷發(fā)展。我們生活在高度互聯(lián)的世界,但實(shí)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(méi)有網(wǎng)絡(luò)連接的地區(qū),比如說(shuō),位于赤道平面的GEO給極地地區(qū)提供的服務(wù)就會(huì)減少。LEO中的大型通信星座就能給這些地區(qū)帶來(lái)相對(duì)高速的網(wǎng)絡(luò)連接。而對(duì)于目前已部署互聯(lián)網(wǎng)連接的地區(qū),LEO星座能為消費(fèi)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?xún)?yōu)勢(shì)。對(duì)政府和軍事用戶(hù),以及商界來(lái)說(shuō),這種彈性?xún)?yōu)勢(shì)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(shí)易于升級(jí)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(gè)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(yùn)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(xiàn)繞每個(gè)極點(diǎn)運(yùn)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)北方地區(qū)的最佳覆蓋,這是因?yàn)閮A斜軌道只能在一定的緯度范圍內(nèi)運(yùn)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(fèi)更多能量來(lái)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(gè)面中的衛(wèi)星數(shù)量(參見(jiàn)圖3)。v
探秘LEO星座
有些星座已經(jīng)發(fā)射,或者計(jì)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(gè)明顯的衛(wèi)星通信優(yōu)勢(shì)。第一,因?yàn)檐壍辣旧淼母叨龋盘?hào)延遲降低。地球與LEO衛(wèi)星之間的信號(hào)傳輸路徑距離更短(約為GEO衛(wèi)星的1/35),信號(hào)延遲降低了一個(gè)數(shù)量級(jí),約25 ms,有人認(rèn)為,憑借著自身提供數(shù)據(jù)密集型實(shí)時(shí)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(gè)優(yōu)勢(shì)在于,單個(gè)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(gè)人用戶(hù)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(huì)生成多條下行鏈路波束,以連接多個(gè)用戶(hù)/集線(xiàn)器。這些在空間中彼此獨(dú)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(hù)的數(shù)據(jù)容量只占總數(shù)據(jù)容量的一部分(33%至50%),因?yàn)橛行┬l(wèi)星航空器的運(yùn)行軌跡恰好是在海洋上空,或是在無(wú)人居住的區(qū)域。
星座的規(guī)模會(huì)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?yàn)槠涔ぷ鲏勖獭⑺幍沫h(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(yùn)行需要耗費(fèi)更多燃料,而LEO衛(wèi)星尺寸小,能攜帶的燃油量有限,這會(huì)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(duì)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?xún)?nèi);而GEO衛(wèi)星的工作壽命更長(zhǎng),遭受的輻射更強(qiáng),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(dòng)技術(shù)
現(xiàn)在,管理星座數(shù)據(jù)流的復(fù)雜程度越來(lái)越高。我們通過(guò)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?。因?yàn)長(zhǎng)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(guān)察,會(huì)發(fā)現(xiàn)非GEO衛(wèi)星在天空中移動(dòng),這一點(diǎn)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(yùn)行。建議Starlink星座使用的其中一個(gè)衛(wèi)星空間站距離地面550 km。在這個(gè)高度,飛行速度為7.5 km/s,這意味著對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō),這個(gè)空間站中單個(gè)衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間僅為4.1分鐘。GEO衛(wèi)星用戶(hù)可以使用衛(wèi)星上的固定天線(xiàn),而LEO衛(wèi)星服務(wù)用戶(hù)則必須使用能夠跟蹤LEO衛(wèi)星軌跡的天線(xiàn),在該衛(wèi)星劃過(guò)天際時(shí)進(jìn)行跟蹤。同樣,衛(wèi)星在軌移動(dòng)時(shí),其天線(xiàn)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(xiàn),可能是因?yàn)樗鼈兊能壍浪俣雀EO衛(wèi)星可能需要使用某種形式的AESA,因?yàn)闄C(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能無(wú)法滿(mǎn)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(gè)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(dú)立支持多波束電子波束轉(zhuǎn)向的天線(xiàn)。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(hù)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(xiàn)來(lái)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(cè)和控制(TT&C)鏈路。
AESA和波束成形
傳統(tǒng)的拋物形天線(xiàn)一般是為發(fā)送器和接收器提供單個(gè)饋電,天線(xiàn)一般指向固定方向,或者可通過(guò)機(jī)械方式調(diào)節(jié)方向。電子波束轉(zhuǎn)向陣列天線(xiàn)由多個(gè)天線(xiàn)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(jiàn)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?yàn)橐恍┓抢硐肭闆r,有些能量會(huì)輻射到旁瓣,也就是說(shuō),偏離所需的方向。天線(xiàn)設(shè)計(jì)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(guò)調(diào)節(jié)天線(xiàn)元件的單個(gè)振幅和相位來(lái)調(diào)節(jié)主瓣的形狀和方向?,F(xiàn)代IC技術(shù)可以采用以微秒量級(jí)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(duì)于LEO應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵,因?yàn)樾l(wèi)星對(duì)地的距離很近,旁瓣會(huì)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(dú)的天線(xiàn),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(duì)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(huì)更高昂。事實(shí)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(tái)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(yáng)能供電,所以在選擇元件時(shí),電池備用系統(tǒng)、功耗都是關(guān)鍵的規(guī)格參數(shù)。
對(duì)于在軌應(yīng)用陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō),受陣列尺寸和元件間距影響,F(xiàn)E元件(接收天線(xiàn)采用LNA;發(fā)射天線(xiàn)采用驅(qū)動(dòng)器/PA)的尺寸應(yīng)盡可能小,因?yàn)殛嚵兄械拿總€(gè)元件都配有前端,需要配備多個(gè)元件,這些元件必須盡可能貼近元件天線(xiàn),以降低線(xiàn)路損耗。線(xiàn)路損耗會(huì)直接影響到噪聲系數(shù)。典型的實(shí)施方案可能包括一個(gè)波束成形核心芯片,該芯片對(duì)接多個(gè)天線(xiàn)元件,每個(gè)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(dòng)器和/或PA)。高增益接收天線(xiàn)在實(shí)現(xiàn)FE時(shí),可能會(huì)將幾個(gè)高增益LNA串聯(lián)起來(lái),以實(shí)現(xiàn)所需的輸入增益。在這種情況下,元件尺寸非常重要,因?yàn)樵g距會(huì)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(shí),對(duì)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(tái)使用的天線(xiàn)陣列的掃描要求不會(huì)如此嚴(yán)格(±9),在確定元件之間的最小間距時(shí),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(jiǎn)化布局流程。
為在軌應(yīng)用選擇放大器時(shí),器件性能非常關(guān)鍵。對(duì)于LEO衛(wèi)星接收器天線(xiàn),噪聲系數(shù)(NF,單位為dB)是非常關(guān)鍵的因素,它會(huì)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(huì)影響天線(xiàn)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(xiàn)的空間會(huì)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(xiàn)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?yàn)橐謴?fù)和放大接收信號(hào),都需要高增益。一般會(huì)部署多個(gè)FE LNA級(jí)來(lái)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(xiàn)性度(通過(guò)輸出IP3測(cè)量)是一項(xiàng)關(guān)鍵規(guī)格。雖然接收器信號(hào)強(qiáng)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(xiàn)性度非常重要。 ADL8142 (低功耗Ka頻段LNA)等器件可以通過(guò)調(diào)節(jié)功耗(IDQ)來(lái)補(bǔ)償接收路徑的變化,以擴(kuò)展其線(xiàn)性度。對(duì)于發(fā)射天線(xiàn),F(xiàn)E是驅(qū)動(dòng)器放大器或PA。同樣,線(xiàn)性度也是確??尚械淖罡邆鬏斔俾实年P(guān)鍵,但是輸出功率(OP1dB)將決定每個(gè)天線(xiàn)元件可貢獻(xiàn)的功率量。對(duì)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(gè):(1)太陽(yáng)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(lái)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(kāi)發(fā)了多種器件來(lái)滿(mǎn)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(shí)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(lái)進(jìn)行波束分配,采用包括ADL8142 LNA在內(nèi)的天線(xiàn)FE選項(xiàng)來(lái)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(shí)現(xiàn)低噪聲系數(shù)(1.6 dB)、高線(xiàn)性度(20 dBm OIP3)和高增益(27 dB),在采用1.5 V輸入電壓時(shí),功耗僅為50 mW。請(qǐng)參見(jiàn)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(xiàn)性度器件來(lái)作為元件驅(qū)動(dòng)器。請(qǐng)參見(jiàn)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(xiàn)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(xiàn)設(shè)計(jì)師能夠利用ADI公司靈活的信號(hào)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(gè)信號(hào)鏈中,天線(xiàn)前端至關(guān)重要,它們不僅決定整個(gè)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(kāi)發(fā)一系列高性能器件,例如ADL8142 LNA來(lái)滿(mǎn)足在軌衛(wèi)星通信的獨(dú)特需求。
參考電路
1 Keith Benson。 “相控陣波束成形IC簡(jiǎn)化天線(xiàn)設(shè)計(jì)”。 模擬對(duì)話(huà),第53卷第01期,2019年1月。
2 ADL8142數(shù)據(jù)手冊(cè)。(ADI公司,2022年)。
3 ADL8107數(shù)據(jù)手冊(cè)。(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(shí)現(xiàn)冗余。
vi Telesat Lightspeed最初的設(shè)計(jì)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(xiǎn)增大,或者出現(xiàn)故障。
viii 請(qǐng)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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