【導讀】采用有源電子掃描天線(xiàn)(AESA)進(jìn)行衛星通信(satcom)，為運營(yíng)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(xiàn)前端(FE)組件（低噪聲放大器和功率放大器）的設計考慮因素。
簡(jiǎn)介
衛星技術(shù)問(wèn)世已有60多年的時(shí)間。盡管早期的衛星受發(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衛星，它們?yōu)槲覀兲峁╇娦?、衛星電視、地球觀(guān)測等服務(wù)，也為政府和軍隊提供廣泛的服務(wù)。但是，現在情況大為轉變，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據的服務(wù)（例如衛星通信、地球觀(guān)測和地圖、導航和定位等）。圖1顯示LEO、MEO和GEO之間的相對位置。
導致向非GEO轉變的因素有很多，例如發(fā)射成本降低、采用批量衛星制造技術(shù)、通信、天線(xiàn)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展、支持衛星互聯(lián)的光學(xué)技術(shù)，以及大量私有資本涌現，為這些大型項目提供資金支持。
由于LEO中越來(lái)越多地使用航天器，這給在軌衛星通信鏈路設計人員帶來(lái)了新的挑戰。GEO的固定通信鏈路現在已被可適應性的鏈路取代，使得這些鏈路即使在7.5 km/s以?xún)鹊乃俣壤@地球運行時(shí)，也能與地球上的地點(diǎn)進(jìn)行通信。這些現代化的衛星通信系統使用AESA，不僅能根據預期目標將天線(xiàn)信號調整到正確方向，還支持多波束，以便同時(shí)為多位用戶(hù)提供支持。對于組件選擇，在軌衛星有獨特的要求，對于將天線(xiàn)元件連接至發(fā)射和接收信號鏈的FE組件，其要求尤甚。本文從設計角度出發(fā)，詳細探討為這類(lèi)系統選擇FE（放大器）組件時(shí)需考慮的因素。
從GEO轉向LEO
GEO衛星也能提供出色的服務(wù)——為何要做出改變？
雖然GEO衛星存在發(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)，因為軌道與地球同步轉動(dòng)，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星天線(xiàn)和成本相對較低的VSAT端子，該端子采用拋物面天線(xiàn)，這是助力提供數據服務(wù)，特別是直接入戶(hù)(DTH)衛星電視服務(wù)的關(guān)鍵推動(dòng)因素。GEO中的衛星提供最大的地球覆蓋面積（如圖2所示），只需要三個(gè)GEO衛星，就能覆蓋整個(gè)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(dòng)下，我們開(kāi)始轉向LEO中的衛星，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(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，比如說(shuō)，位于赤道平面的GEO給極地地區提供的服務(wù)就會(huì )減少。LEO中的大型通信星座就能給這些地區帶來(lái)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，LEO星座能為消費者和B2B提供更高的等同于光纖的數據速率。推薦使用的LEO星座的尺寸中包含一些內置冗余，隨著(zhù)可用衛星的數量不斷增多，使其獲得了網(wǎng)絡(luò )彈性?xún)?yōu)勢。對政府和軍事用戶(hù)，以及商界來(lái)說(shuō)，這種彈性?xún)?yōu)勢非常有用。最后，其制造和發(fā)射成本更低，這意味著(zhù)出現新技術(shù)時(shí)易于升級衛星網(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。
衛星軌道
非GEO星座由特定軌道中的衛星，或者由多個(gè)軌道中的衛星混合而成。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，與地球自轉的方向一致；以及極地軌道，其中每顆衛星將沿著(zhù)特定的經(jīng)度線(xiàn)繞每個(gè)極點(diǎn)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(lái)實(shí)現對北方地區的最佳覆蓋，這是因為傾斜軌道只能在一定的緯度范圍內運行。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(lái)進(jìn)行定位，所以，一般與傾斜軌道中的衛星配合使用，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。星座的規模等于平面的數量乘以每個(gè)面中的衛星數量（參見(jiàn)圖3）。v
探秘LEO星座
有些星座已經(jīng)發(fā)射，或者計劃向LEO發(fā)射幾百顆，在有些情況下為幾千顆小型衛星。比起GEO鏈路，LEO中的衛星具有兩個(gè)明顯的衛星通信優(yōu)勢。第一，因為軌道本身的高度，信號延遲降低。地球與LEO衛星之間的信號傳輸路徑距離更短（約為GEO衛星的1/35），信號延遲降低了一個(gè)數量級，約25 ms，有人認為，憑借著(zhù)自身提供數據密集型實(shí)時(shí)服務(wù)的潛力，LEO衛星通信將能助力擴展5G服務(wù)。第二個(gè)優(yōu)勢在于，單個(gè)LEO衛星的數據容量一般都集中在更小的區域，因此能為個(gè)人用戶(hù)提供更大的數據帶寬，具體取決于該星座的整體數據容量。在覆蓋范圍內，衛星一般會(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立的波束可以重復使用分配的頻率，由此避免波束之間相互干擾，并優(yōu)化數據的可用性。高通量衛星（HTS和vHTS）也具有集中提供數據的能力；但是，GEO衛星的總數據容量要低于典型LEO星座的容量。vi具有高數據容量的大型星座的限制在于，每次提供給用戶(hù)的數據容量只占總數據容量的一部分（33%至50%），因為有些衛星航空器的運行軌跡恰好是在海洋上空，或是在無(wú)人居住的區域。
星座的規模會(huì )影響到成本及其工作壽命
星座衛星采用量產(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衛星的工作壽命一般為5到7年。隨著(zhù)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衛星的輻射耐受性要求一般也更低。例如，對于LEO衛星使用的組件，其可接受的總電離輻射劑量(TID)vii性能水平在30 krad以?xún)?；而GEO衛星的工作壽命更長(cháng)，遭受的輻射更強，該性能值一般需要達到100 krad。
圖3.LEO星座的軌道配置組合。
LEO面臨的挑戰和關(guān)鍵的推動(dòng)技術(shù)
現在，管理星座數據流的復雜程度越來(lái)越高。我們通過(guò)衛星間的鏈路(ISL)（使用射頻鏈路或光學(xué)鏈路）將數據從地面接收站路由傳輸到星座。因為L(cháng)EO衛星并非始終都在地面接收站的接收范圍之內，所以這種傳輸非常必要。
從地面觀(guān)察，會(huì )發(fā)現非GEO衛星在天空中移動(dòng)，這一點(diǎn)與位置固定的GEO衛星不同。這是影響保持衛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星，LEO衛星必須以更快速度運行。建議Starlink星座使用的其中一個(gè)衛星空間站距離地面550 km。在這個(gè)高度，飛行速度為7.5 km/s，這意味著(zhù)對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這個(gè)空間站中單個(gè)衛星的可見(jiàn)時(shí)間僅為4.1分鐘。GEO衛星用戶(hù)可以使用衛星上的固定天線(xiàn)，而LEO衛星服務(wù)用戶(hù)則必須使用能夠跟蹤LEO衛星軌跡的天線(xiàn)，在該衛星劃過(guò)天際時(shí)進(jìn)行跟蹤。同樣，衛星在軌移動(dòng)時(shí)，其天線(xiàn)必須能夠跟蹤地面服務(wù)區域。MEO中的衛星（例如O3b星座）使用機械轉向天線(xiàn)，可能是因為它們的軌道速度更慢。LEO衛星可能需要使用某種形式的AESA，因為機械轉向系統可能無(wú)法滿(mǎn)足其跟蹤要求。LEO除了需要可轉向波束外，還需要多波束。多波束使衛星能夠優(yōu)化面向多個(gè)數據網(wǎng)關(guān)或服務(wù)區域的服務(wù)和數據吞吐量。LEO應用需要的是一種能夠獨立支持多波束電子波束轉向的天線(xiàn)。有些星座建議每顆衛星提供多達16束可轉向的用戶(hù)波束。
這些星座保持靈活性的關(guān)鍵在于：采用支持波束轉向的天線(xiàn)來(lái)保持通信鏈路——主要的衛星通信/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)機械方式調節方向。電子波束轉向陣列天線(xiàn)由多個(gè)天線(xiàn)元件組成，這些元件的輻射圖從結構上與陣列中的相鄰元件組合，構成所謂的主瓣（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，但因為一些非理想情況，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(guò)調節天線(xiàn)元件的單個(gè)振幅和相位來(lái)調節主瓣的形狀和方向?，F代IC技術(shù)可以采用以微秒量級更新的可調增益和相位，即使在衛星和空中應用使用的大型元件陣列中也能提供快速轉向。viii旁瓣減少對于LEO應用來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵，因為衛星對地的距離很近，旁瓣會(huì )導致干擾。
圖4.一維陣列中的波束轉向概念。1
AESA的FE元件選擇
衛星通信系統屬于頻分雙工(FDD)系統，發(fā)送器和接收器采用不同的頻率。這些系統通常使用單獨的天線(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)域的大部分應用一樣，尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)是決定在系統和子系統中選用具體元件的關(guān)鍵特性。對于在軌應用，尺寸和重量受到發(fā)射能力限制，發(fā)射的系統更大、更重，發(fā)射成本會(huì )更高昂。事實(shí)上，在大型星座中，每顆衛星都必須和預先確定的形狀一致，以便火箭的發(fā)射臺發(fā)射多顆衛星。此外，由于在軌系統幾乎完全依靠太陽(yáng)能供電，所以在選擇元件時(shí)，電池備用系統、功耗都是關(guān)鍵的規格參數。
對于在軌應用陣列天線(xiàn)設計師來(lái)說(shuō)，受陣列尺寸和元件間距影響，FE元件（接收天線(xiàn)采用LNA；發(fā)射天線(xiàn)采用驅動(dòng)器/PA）的尺寸應盡可能小，因為陣列中的每個(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。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)器采用驅動(dòng)器和/或PA）。高增益接收天線(xiàn)在實(shí)現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(huì )隨著(zhù)頻率的增高而減小。在使用Ka頻段接收器（26 GHz至28 GHz）時(shí)，對于λ/2晶格間距，元件間距約為5 mm。LEO應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(xiàn)陣列的掃描要求不會(huì )如此嚴格(±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。
為在軌應用選擇放大器時(shí)，器件性能非常關(guān)鍵。對于LEO衛星接收器天線(xiàn)，噪聲系數（NF，單位為dB）是非常關(guān)鍵的因素，它會(huì )影響系統的噪聲系數，后者直接影響陣列中需使用的元件數量，因此也會(huì )影響天線(xiàn)的尺寸。大家回想一下，LEO衛星要比GEO衛星小巧；所以，部署天線(xiàn)的空間會(huì )非常有限。在典型的陣列中，系統噪聲系數必須<2 dB，才能保持陣列尺寸可控。系統噪聲系數降低1 dB，天線(xiàn)元件的數量可以減半，所以，LNA噪聲系數是影響系統噪聲系數的關(guān)鍵因素。LNA增益也很重要，因為要恢復和放大接收信號，都需要高增益。一般會(huì )部署多個(gè)FE LNA級來(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測量）是一項關(guān)鍵規格。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據速率（使用復雜的調制方案），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)調節功耗(IDQ)來(lái)補償接收路徑的變化，以擴展其線(xiàn)性度。對于發(fā)射天線(xiàn)，FE是驅動(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)元件可貢獻的功率量。對于在軌應用，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)處理非轉換功率產(chǎn)生的熱量。
ADI用于衛星通信的IC
ADI公司開(kāi)發(fā)了多種器件來(lái)滿(mǎn)足各種應用的要求，這些應用采用波束成形技術(shù)，包括衛星通信、民用和軍用雷達，以及5G通信。特別是，在衛星通信領(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在內的天線(xiàn)FE選項來(lái)支持Ka頻段（23 GHz至31 GHz）中的在軌應用。ADL8142采用小型2 mm × 2 mm LFCSP/ QFN封裝，旨在優(yōu)化實(shí)現低噪聲系數(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。請參見(jiàn)圖5獲取有關(guān)ADL8142增益和噪聲系數的詳細信息。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)作為元件驅動(dòng)器。請參見(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（右）與溫度和頻率的關(guān)系。2
圖6.ADL8107增益(S21)（左）和P1dB（右）。3
結論
波束成形天線(xiàn)使最新的非GEO衛星星座能夠提供普遍、靈活和高帶寬的數據通信。波束成形天線(xiàn)設計師能夠利用ADI公司靈活的信號鏈元件產(chǎn)品，從數據轉換器到頻率轉換器，以及波束成形器到FE元件。在整個(gè)信號鏈中，天線(xiàn)前端至關(guān)重要，它們不僅決定整個(gè)系統的噪聲性能，還必須符合具體的機械和功耗限制。ADI將開(kāi)發(fā)一系列高性能器件，例如ADL8142 LNA來(lái)滿(mǎn)足在軌衛星通信的獨特需求。
參考電路
1 Keith Benson。 “相控陣波束成形IC簡(jiǎn)化天線(xiàn)設計”。 模擬對話(huà)，第53卷第01期，2019年1月。
2 ADL8142數據手冊。（ADI公司，2022年）。
3 ADL8107數據手冊。（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星，用于實(shí)現冗余。
vi Telesat Lightspeed最初的設計目標是提供294顆衛星的15 Tbps數據容量。一顆典型的VHTS可以提供2 Tbps到3 Tbps數據容量（2022年）。
vii TID-累積暴露在電離源中，可能導致設備閾值發(fā)生變化，導致泄漏風(fēng)險增大，或者出現故障。
viii 請閱讀以下文章，了解有關(guān)波束成形的更多詳細信息。
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