采用有源電子掃描天線（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。本文將回顧在這些波束成形陣列中選擇天線前端（FE）組件（低噪聲放大器和功率放大器）時(shí)的設(shè)計(jì)考慮因素。

介紹

我們已經(jīng)使用衛(wèi)星技術(shù)60多年了。盡管早期的衛(wèi)星被發(fā)射到低地球軌道（LEO）我由于發(fā)射和尺寸的限制，我們最熟悉地球同步軌道（GEO）中的衛(wèi)星第二他們提供了一系列關(guān)鍵服務(wù)，如電信、衛(wèi)星電視、地球觀測(cè)，當(dāng)然還有為政府及其軍隊(duì)提供的一系列服務(wù)。然而，現(xiàn)在定位LEO和中地球軌道（MEO）發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變。第三作為一系列大型星座最具吸引力的軌道，提供多種基于數(shù)據(jù)的服務(wù)（衛(wèi)星通信、地球觀測(cè)和測(cè)繪、導(dǎo)航和定位等）。圖1顯示了LEO、MEO和GEO軌道的相對(duì)定位。

這種向非GEO的轉(zhuǎn)變是由于較低的發(fā)射成本，采用衛(wèi)星的大規(guī)模制造技術(shù)，通信和天線技術(shù)和傳感器的技術(shù)進(jìn)步，衛(wèi)星間鏈路的光學(xué)技術(shù)以及大量私人資本為這些大型項(xiàng)目提供資金。

航天器在低地球軌道中的使用越來(lái)越多，這給在軌衛(wèi)星通信鏈路的設(shè)計(jì)者帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。GEO的固定通信鏈路已被需要調(diào)整的鏈路所取代，即使它們以7.5公里/秒的速度繞地球運(yùn)行，也能與地球上的位置進(jìn)行通信。 AESA正在這些現(xiàn)代衛(wèi)星通信系統(tǒng)中使用，不僅提供自適應(yīng)地將天線信號(hào)引導(dǎo)到其預(yù)定目標(biāo)的正確方向的能力，而且還支持多個(gè)波束， 這允許同時(shí)支持多個(gè)用戶。在軌衛(wèi)星對(duì)組件選擇有獨(dú)特的要求，對(duì)于將天線元件連接到發(fā)射和接收信號(hào)鏈的有限元組件尤其如此。本文將探討此類(lèi)系統(tǒng)中FE（放大器）元件選擇的設(shè)計(jì)考慮因素。

從GEO到LEO的轉(zhuǎn)變

GEO衛(wèi)星提供了良好的服務(wù)，那么為什么要改變呢？

盡管發(fā)射成本高，但地球靜止軌道的衛(wèi)星有一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，即由于軌道與地球自轉(zhuǎn)同步，它們?cè)谔炜罩刑幱诠潭ㄎ恢谩＿@允許部署固定位置衛(wèi)星天線和帶有拋物面碟形天線的相對(duì)低成本的VSAT終端 - 數(shù)據(jù)服務(wù)的關(guān)鍵推動(dòng)因素，尤其是直接到戶（DTH）衛(wèi)星電視服務(wù)。GEO中的衛(wèi)星具有最大的地球覆蓋范圍（如圖2所示），只需要三顆GEO衛(wèi)星即可提供全球覆蓋。四

盡管GEO具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但LEO向衛(wèi)星的轉(zhuǎn)變有幾個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，主要集中在不斷發(fā)展的通信網(wǎng)絡(luò)上。我們生活在一個(gè)高度互聯(lián)的世界中，但現(xiàn)實(shí)情況是，世界上很大一部分人口生活在沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)連接或服務(wù)不足的地區(qū)——例如，位于赤道平面上的GEO減少了極地地區(qū)的服務(wù)。LEO中的大型衛(wèi)星通信星座可以為這些區(qū)域帶來(lái)相對(duì)高速的連接。對(duì)于目前由互聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)的區(qū)域，LEO星座承諾為消費(fèi)者和B2B提供更高的數(shù)據(jù)速率 - 相當(dāng)于光纖。擬議的LEO星座的大小，包括一些內(nèi)置的 由于可用的衛(wèi)星數(shù)量較多，冗余帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)彈性的優(yōu)勢(shì)。這種彈性是政府和軍事用戶以及商業(yè)世界感興趣的。最后，較低的制造和發(fā)射成本意味著隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以輕松升級(jí)。

圖1.LEO、MEO 和 GEO 軌道的比較。

圖2.來(lái)自GEO，MEO和LEO的地球覆蓋范圍。

衛(wèi)星軌道

非GEO星座是使用特定軌道或混合軌道中的衛(wèi)星配置的。更流行的軌道包括赤道軌道（由MEO中的SES O3b mPOWER星座使用），衛(wèi)星通常遵循赤道，從赤道軌道傾斜數(shù)度并沿與地球自轉(zhuǎn)相同的方向從西向東跟蹤的傾斜軌道，以及極地軌道，其中每顆衛(wèi)星將遵循特定的經(jīng)線，同時(shí)繞每個(gè)極點(diǎn)運(yùn)行（例如， 壹網(wǎng)）。幾個(gè)大型LEO星座，如Telesat Lightspeed和SpaceX Starlink，將使用傾斜和極地軌道的混合，以在北部地區(qū)提供最佳覆蓋范圍，因?yàn)閮A斜軌道只能在一定的緯度上運(yùn)行。極地軌道提供了三個(gè)軌道類(lèi)別中最佳的全球覆蓋范圍，但由于用于定位的額外燃料使用，它們主要用于提供對(duì)北緯的額外覆蓋，以及傾斜軌道上的衛(wèi)星外殼。極地軌道也更容易受到輻射效應(yīng)的影響。衛(wèi)星排列在圓形平面上，每個(gè)平面在地球上方的高度恒定。星座的大小由飛機(jī)數(shù)量乘以每個(gè)平面的衛(wèi)星數(shù)量給出（見(jiàn)圖3）。v

進(jìn)入獅子座星座

一些星座已經(jīng)發(fā)射，或者計(jì)劃向低地球軌道發(fā)射數(shù)百顆，在某些情況下是數(shù)千顆小型衛(wèi)星。與GEO鏈路相比，LEO中的衛(wèi)星為衛(wèi)星通信提供了兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，由于軌道的高度，信號(hào)延遲減少。從地球到LEO衛(wèi)星的信號(hào)路徑要短得多（~GEO衛(wèi)星的1/35），將信號(hào)延遲降低一個(gè)數(shù)量級(jí)至~25毫秒，一些人認(rèn)為這將使LEO衛(wèi)星通信能夠參與5G服務(wù)的擴(kuò)展，其承諾是數(shù)據(jù)密集型實(shí)時(shí)服務(wù)。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是單個(gè)LEO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)容量集中在更小的區(qū)域，可能為個(gè)人用戶提供更大的數(shù)據(jù)帶寬 - 取決于星座的整體數(shù)據(jù)容量。在覆蓋區(qū)域內(nèi)，衛(wèi)星通常會(huì)生成多個(gè)下行鏈路波束以連接到許多用戶/集線器。這些空間分離的波束允許重復(fù)使用分配的頻率，這可以避免波束間干擾并優(yōu)化數(shù)據(jù)可用性。高通量衛(wèi)星（HTS和vHTS）也可以提供這種數(shù)據(jù)集度;然而，地球靜止軌道衛(wèi)星的總體數(shù)據(jù)容量低于典型的低地球軌道星座。六具有高數(shù)據(jù)容量的大型星座的一個(gè)局限性是，由于許多星座航天器將在海洋或地球上無(wú)人居住的地區(qū)飛行，因此一次只有一小部分（33%至50%）的總數(shù)據(jù)容量可供用戶使用。

星座大小對(duì)成本和任務(wù)壽命的影響

由于使用了大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，并且由于任務(wù)壽命較短和輻射環(huán)境較少，可以使用成本較低，非密封，通常是塑料封裝的組件，因此建造星座衛(wèi)星的成本更低。低地球軌道衛(wèi)星的任務(wù)壽命通常為5年至7年，因?yàn)榈偷厍蜍壍赖拇髿庾枇υ黾樱S持軌道的燃料使用量增加，而低地球軌道衛(wèi)星由于尺寸較小，燃料容量有限。低地球軌道衛(wèi)星的輻射耐受性要求通常較低。例如，總電離劑量 （TID） 的可接受水平七用于低地球軌道衛(wèi)星的部件的性能可能在30克拉德左右，而地球靜止軌道任務(wù)通常需要100克拉德，因?yàn)槠淙蝿?wù)壽命更長(zhǎng)，輻射暴露更高。

LEO和關(guān)鍵使能技術(shù)的挑戰(zhàn)

管理流向星座的數(shù)據(jù)流越來(lái)越復(fù)雜。數(shù)據(jù)從地球站通過(guò)衛(wèi)星間鏈路（ISL）使用無(wú)線電或光鏈路通過(guò)星座路由。這是必要的，因?yàn)長(zhǎng)EO衛(wèi)星可能并不總是在地球站的視線范圍內(nèi)。

從地球上看，非GEO衛(wèi)星在天空中移動(dòng)，而不是GEO衛(wèi)星的固定位置。這是維持其軌道所需的軌道速度的一個(gè)因素。由于大氣阻力增加和軌道降低，LEO衛(wèi)星必須比高軌道的衛(wèi)星快。為Starlink星座提議的衛(wèi)星外殼之一位于地球上空550公里處。在該高度，飛行速度為7.5公里/秒，這意味著該外殼中的單個(gè)衛(wèi)星僅對(duì)用戶可見(jiàn)4.1分鐘。地球靜止軌道衛(wèi)星的用戶可以使用位于衛(wèi)星上的固定天線，而低地球軌道衛(wèi)星服務(wù)的用戶必須使用能夠在低地球軌道衛(wèi)星穿越天空時(shí)跟蹤其天線。同樣，衛(wèi)星的天線必須能夠在軌道上移動(dòng)時(shí)跟蹤地球上的服務(wù)區(qū)域。MEO中的衛(wèi)星，如O3b星座，已經(jīng)使用了機(jī)械操縱天線，這可能是因?yàn)樗鼈兊能壍浪俣容^慢。低地球軌道衛(wèi)星必須使用某種形式的AESA，因?yàn)闄C(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無(wú)法滿足跟蹤要求。在LEO中需要可操縱光束的同時(shí)，對(duì)多個(gè)光束的一般要求。多個(gè)波束允許衛(wèi)星優(yōu)化多個(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)用需要的是能夠獨(dú)立支持多個(gè)波束的電子波束控制的天線。一些星座建議每顆衛(wèi)星最多16個(gè)可操縱的用戶波束。

這些星座靈活性的關(guān)鍵是采用支持波束控制的天線來(lái)維持通信鏈路 - 無(wú)論是主衛(wèi)星通信/ EO上行鏈路/下行鏈路還是輔助跟蹤，遙測(cè)和控制（TT&C）鏈路。

AESA 和波束成形

傳統(tǒng)的拋物面天線通常具有發(fā)射器和接收器的單個(gè)饋電，并且指向固定位置或機(jī)械轉(zhuǎn)向。電子波束控制陣列天線由多個(gè)天線元件組成，其輻射方向圖旨在與陣列中相鄰元件的輻射方向圖進(jìn)行建設(shè)性組合，形成所謂的主瓣——見(jiàn)圖4。主瓣沿所需方向傳輸輻射能量。理想情況下，主瓣將攜帶所有傳輸?shù)哪芰浚捎诜抢硐胄裕瑢⒂幸恍┠芰恳龑?dǎo)到不在所需方向的旁瓣中。天線設(shè)計(jì)旨在最大化主瓣的能量，同時(shí)最小化旁瓣的能量。主瓣可以通過(guò)調(diào)整天線元件的各個(gè)振幅和相位來(lái)塑造和轉(zhuǎn)向。現(xiàn)代IC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)增益和相位，可以以微秒為單位進(jìn)行更新，即使在衛(wèi)星和機(jī)載應(yīng)用的大型元件陣列上也能提供快速轉(zhuǎn)向。八旁瓣減少對(duì)于LEO應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)橛捎谛l(wèi)星靠近地球，旁瓣可能會(huì)造成干擾。

圖4.具有一維陣列的波束控制概念。1

AESA 的有限元組件選擇

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是頻分雙工（FDD）系統(tǒng)，其中發(fā)射器和接收器以不同的頻率工作。這些系統(tǒng)通常具有單獨(dú)的天線，用于使用分配的頻段的上行鏈路和下行鏈路。

與航空航天和國(guó)防領(lǐng)域的大多數(shù)應(yīng)用一樣，尺寸、重量、功耗和成本 （SWaP-C） 是決定系統(tǒng)和子系統(tǒng)中組件選擇的重要特征。對(duì)于在軌應(yīng)用，尺寸和重量受到發(fā)射能力的限制，更大更重的系統(tǒng)發(fā)射成本要高得多。事實(shí)上，在大型星座的情況下，每顆衛(wèi)星都必須符合預(yù)定的外形尺寸，這允許從火箭的發(fā)射艙發(fā)射多顆衛(wèi)星。此外，由于在軌系統(tǒng)幾乎完全依賴太陽(yáng)能和電池備份系統(tǒng)，因此在選擇組件時(shí)，功耗是一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格。

對(duì)于用于在軌應(yīng)用的陣列天線設(shè)計(jì)人員，陣列尺寸和元件間距要求有限元組件（接收天線的LNA;發(fā)射天線的驅(qū)動(dòng)器/PA）盡可能小，因?yàn)殛嚵械拿總€(gè)元件都有自己的前端，通常需要多個(gè)組件，這些組件必須盡可能靠近元件天線放置，以減少跡線損耗， 這可以直接增加噪聲系數(shù)。典型的實(shí)現(xiàn)方案將采用專(zhuān)用于多個(gè)天線元件的波束成形核心芯片，然后每個(gè)元件都有自己的FE器件（接收器和驅(qū)動(dòng)器的LNA和/或收發(fā)器的PA）。高增益接收天線可以通過(guò)串聯(lián)多個(gè)高增益LNA來(lái)實(shí)現(xiàn)FE，以實(shí)現(xiàn)所需的輸入增益。在這種情況下，元件尺寸很重要，因?yàn)樵亻g間距會(huì)隨著頻率的提高而減小。對(duì)于 Ka 頻段接收器（26 GHz 至 28 GHz），對(duì)于 λ/2 晶格間距，元件間距為 ~5 mm。保持LEO應(yīng)用的寬掃描角度決定了陣列元件必須放置在λ/2間距。對(duì)于GEO平臺(tái)上使用的天線陣列，掃描要求并不那么重要（±9），這使得元件最小間距具有更大的靈活性。采用 2 mm × 2 mm 封裝的最新 LNA 外形尺寸使管理關(guān)鍵元件放置變得更加容易，許多封裝內(nèi)還包括直流模塊和射頻扼流圈，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化布局任務(wù)。

在為在軌應(yīng)用選擇放大器時(shí)，器件性能至關(guān)重要。對(duì)于LEO衛(wèi)星接收天線，噪聲系數(shù)（以dB為單位的NF）是最重要的，因?yàn)樗鼤?huì)影響系統(tǒng)噪聲系數(shù)，這直接影響陣列中所需的元件數(shù)量，從而影響天線尺寸。回想一下，低地球軌道衛(wèi)星比地球靜止軌道中的衛(wèi)星小;因此，容納天線的空間可能會(huì)受到限制。對(duì)于典型陣列，需要<2 dB的系統(tǒng)噪聲系數(shù)，以保持陣列大小可控。將系統(tǒng)噪聲系數(shù)降低1 dB可使天線元件數(shù)量減半，因此LNA NF對(duì)系統(tǒng)噪聲系數(shù)的貢獻(xiàn)至關(guān)重要。LNA增益也很重要，因?yàn)樾枰咴鲆鎭?lái)恢復(fù)和放大接收信號(hào)。通常，部署幾級(jí)FE LNA以提供足夠的增益。盡管大氣條件變化，但必須保持通信鏈路，因此FE器件線性度（通過(guò)輸出IP3測(cè)量）是一個(gè)關(guān)鍵規(guī)格。雖然接收機(jī)信號(hào)強(qiáng)度在很大程度上取決于發(fā)射地面站，但接收機(jī)線性度對(duì)于保持最大可能的數(shù)據(jù)速率（使用復(fù)雜的調(diào)制方案）非常重要。ADL8142（低功耗Ka波段LNA）等器件可以通過(guò)調(diào)整功耗（IDQ） 來(lái)補(bǔ)償接收路徑的變化。對(duì)于發(fā)射天線，F(xiàn)E將是一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器或PA。同樣，線性度對(duì)于確保盡可能高的傳輸速率至關(guān)重要，但這里的輸出功率（OP1dB）將決定每個(gè)天線元件可以貢獻(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）很重要，主要有兩個(gè)原因：（1）由于太陽(yáng)能電池板（或備用電池）的可用功率有限，以及（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衛(wèi)星通信IC

ADI公司開(kāi)發(fā)了一系列滿足一系列應(yīng)用要求的器件，這些器件采用波束成形，包括衛(wèi)星通信、民用和軍用雷達(dá)以及5G通信。特別是對(duì)于衛(wèi)星通信，ADAR3000和ADAR3001分別提供衛(wèi)星Ka波段發(fā)射和接收波束成形。每個(gè)器件均具有 4 波束/16 通道波束成形功能，使用可編程時(shí)間延遲和衰減。每個(gè)都采用緊湊的 BGA 封裝。為了補(bǔ)充波束成形IC，有 ADAR5000（4：1威爾金森分路器/合路器）用于波束分配，天線FE選項(xiàng)包括專(zhuān)為Ka頻段（23 GHz至31 GHz）在軌應(yīng)用而設(shè)計(jì)的ADL8142 LNA。ADL8142采用小型2 mm × 2 mm LFCSP/QFN封裝，針對(duì)低噪聲系數(shù)（1.6 dB）、高線性度（20 dBm OIP3）和高增益（27 dB）進(jìn)行了優(yōu)化，在僅1.5 V的電壓軌下功耗僅為50 mW——有關(guān)ADL8142增益和噪聲系數(shù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)圖5。ADL8142提供COTS和商用空間版本。在發(fā)射端，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）等器件具有高增益和線性度，可用作元件驅(qū)動(dòng)器。有關(guān)ADL8107增益和輸出P1dB的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)圖6。

圖5.ADL8142—增益（左）和噪聲系數(shù)（右）與溫度的關(guān)系與頻率的關(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?qū)崿F(xiàn)其無(wú)處不在、靈活和高帶寬數(shù)據(jù)通信的承諾。波束成形天線設(shè)計(jì)人員可以利用ADI公司提供的信號(hào)鏈組件的靈活產(chǎn)品，從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器到變頻器和波束成形器再到FE組件。天線有限元在整個(gè)信號(hào)鏈中至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儾粌H決定系統(tǒng)的噪聲性能，而且還必須符合特定的機(jī)械和功耗限制。ADI正在開(kāi)發(fā)一系列高性能器件，如ADL8142 LNA，以滿足在軌衛(wèi)星通信的獨(dú)特要求。

審核編輯：郭婷