【導讀】采用有源電子掃描天線(AESA)進行衛星通信(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）的設計考慮因素。
簡介
衛星技術問世已有60多年的時間。盡管早期的衛星受發射條件和尺寸的限制，都是發射到近地軌道(LEO)i，我們最熟悉的要屬地球同步軌道(GEO)ii衛星，它們為我們提供電信、衛星電視、地球觀測等服務，也為政府和軍隊提供廣泛的服務。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（例如衛星通信、地球觀測和地圖、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，例如發射成本降低、采用批量衛星制造技術、通信、天線技術和傳感器技術的發展、支持衛星互聯的光學技術，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中越來越多地使用航天器，這給在軌衛星通信鏈路設計人員帶來了新的挑戰。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以內的速度繞地球運行時，也能與地球上的地點進行通信。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信號調整到正確方向，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，在軌衛星有獨特的要求，對于將天線元件連接至發射和接收信號鏈的FE組件，其要求尤甚。本文從設計角度出發，詳細探討為這類系統選擇FE（放大器）組件時需考慮的因素。
從GEO轉向LEO
GEO衛星也能提供出色的服務——為何要做出改變？
雖然GEO衛星存在發射成本高這個缺點，但它也有諸多優點，比如說，因為軌道與地球同步轉動，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，這是助力提供數據服務，特別是直接入戶(DTH)衛星電視服務的關鍵推動因素。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GEO衛星，就能覆蓋整個地球表面。iv
盡管GEO具有這些優勢，但在多種關鍵因素的推動下，我們開始轉向LEO中的衛星，最主要是因為通信網絡在不斷發展。我們生活在高度互聯的世界，但實際上，全球有很大部分人口都居住在互聯網連接匱乏，甚至是沒有網絡連接的地區，比如說，位于赤道平面的GEO給極地地區提供的服務就會減少。LEO中的大型通信星座就能給這些地區帶來相對高速的網絡連接。而對于目前已部署互聯網連接的地區，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，隨著可用衛星的數量不斷增多，使其獲得了網絡彈性優勢。對政府和軍事用戶，以及商界來說，這種彈性優勢非常有用。最后，其制造和發射成本更低，這意味著出現新技術時易于升級衛星網絡。
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特定的經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進行定位，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面中的衛星數量（參見圖3）。v
探秘LEO星座
有些星座已經發射，或者計劃向LEO發射幾百顆，在有些情況下為幾千顆小型衛星。比起GEO鏈路，LEO中的衛星具有兩個明顯的衛星通信優勢。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數量級，約25 ms，有人認為，憑借著自身提供數據密集型實時服務的潛力，LEO衛星通信將能助力擴展5G服務。第二個優勢在于，單個LEO衛星的數據容量一般都集中在更小的區域，因此能為個人用戶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使用分配的頻率，由此避免波束之間相互干擾，并優化數據的可用性。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，或是在無人居住的區域。
星座的規模會影響到成本及其工作壽命
星座衛星采用量產技術制造，其成本更低，而因為其工作壽命更短、所處的環境輻射更低，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以內；而GEO衛星的工作壽命更長，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面臨的挑戰和關鍵的推動技術
現在，管理星座數據流的復雜程度越來越高。我們通過衛星間的鏈路(ISL)（使用射頻鏈路或光學鏈路）將數據從地面接收站路由傳輸到星座。因為LEO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。
從地面觀察，會發現非GEO衛星在天空中移動，這一點與位置固定的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衛星空間站距離地面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星的可見時間僅為4.1分鐘。GEO衛星用戶可以使用衛星上的固定天線，而LEO衛星服務用戶則必須使用能夠跟蹤LEO衛星軌跡的天線，在該衛星劃過天際時進行跟蹤。同樣，衛星在軌移動時，其天線必須能夠跟蹤地面服務區域。MEO中的衛星（例如O3b星座）使用機械轉向天線，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法滿足其跟蹤要求。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化面向多個數據網關或服務區域的服務和數據吞吐量。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。有些星座建議每顆衛星提供多達16束可轉向的用戶波束。
這些星座保持靈活性的關鍵在于：采用支持波束轉向的天線來保持通信鏈路——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
傳統的拋物形天線一般是為發送器和接收器提供單個饋電，天線一般指向固定方向，或者可通過機械方式調節方向。電子波束轉向陣列天線由多個天線元件組成，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。我們可以通過調節天線元件的單個振幅和相位來調節主瓣的形狀和方向。現代IC技術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應用來說非常關鍵，因為衛星對地的距離很近，旁瓣會導致干擾。
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，按照分配的頻段進行上行鏈路和下行鏈路通信。
與航空航天和防御領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鍵特性。對于在軌應用，尺寸和重量受到發射能力限制，發射的系統更大、更重，發射成本會更高昂。事實上，在大型星座中，每顆衛星都必須和預先確定的形狀一致，以便火箭的發射臺發射多顆衛星。此外，由于在軌系統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、功耗都是關鍵的規格參數。
對于在軌應用陣列天線設計師來說，受陣列尺寸和元件間距影響，FE元件（接收天線采用LNA；發射天線采用驅動器/PA）的尺寸應盡可能小，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。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，收發器采用驅動器和/或PA）。高增益接收天線在實現FE時，可能會將幾個高增益LNA串聯起來，以實現所需的輸入增益。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，以進一步簡化布局流程。
為在軌應用選擇放大器時，器件性能非常關鍵。對于LEO衛星接收器天線，噪聲系數（NF，單位為dB）是非常關鍵的因素，它會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，因此也會影響天線的尺寸。大家回想一下，LEO衛星要比GEO衛星小巧；所以，部署天線的空間會非常有限。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）是一項關鍵規格。雖然接收器信號強度主要是由地面發射站決定的，但要保持可行的最大數據速率（使用復雜的調制方案），接收器線性度非常重要。 ADL8142 （低功耗Ka頻段LNA）等器件可以通過調節功耗(IDQ)來補償接收路徑的變化，以擴展其線性度。對于發射天線，FE是驅動器放大器或PA。同樣，線性度也是確保可行的最高傳輸速率的關鍵，但是輸出功率(OP1dB)將決定每個天線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：(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換功率產生的熱量。
ADI用于衛星通信的IC
ADI公司開發了多種器件來滿足各種應用的要求，這些應用采用波束成形技術，包括衛星通信、民用和軍用雷達，以及5G通信。特別是，在衛星通信領域， ADAR3000 和 ADAR3001 分別提供星載Ka頻段發射和接收波束成形。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）來進行波束分配，采用包括ADL8142 LNA在內的天線FE選項來支持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，旨在優化實現低噪聲系數(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ADL8142增益和噪聲系數的詳細信息。ADL8142提供 COTS 和 商用 版本。在發射端，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動器。請參見圖6，獲取有關ADL8107增益和輸出P1dB的更多信息。
圖5.ADL8142—增益（左）和噪聲系數（右）與溫度和頻率的關系。2
圖6.ADL8107增益(S21)（左）和P1dB（右）。3
結論
波束成形天線使最新的非GEO衛星星座能夠提供普遍、靈活和高帶寬的數據通信。波束成形天線設計師能夠利用ADI公司靈活的信號鏈元件產品，從數據轉換器到頻率轉換器，以及波束成形器到FE元件。在整個信號鏈中，天線前端至關重要，它們不僅決定整個系統的噪聲性能，還必須符合具體的機械和功耗限制。ADI將開發一系列高性能器件，例如ADL8142 LNA來滿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簡化天線設計”。 模擬對話，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生變化，導致泄漏風險增大，或者出現故障。
viii 請閱讀以下文章，了解有關波束成形的更多詳細信息。
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