如何為非GEO空間應用選擇天線前端組件

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）時的設計考慮因素。

介紹

我們已經使用衛星技術60多年了。盡管早期的衛星被發射到低地球軌道（LEO）我由于發射和尺寸的限制，我們最熟悉地球同步軌道（GEO）中的衛星第二他們提供了一系列關鍵服務，如電信、衛星電視、地球觀測，當然還有為政府及其軍隊提供的一系列服務。然而，現在定位LEO和中地球軌道（MEO）發生了重大轉變。第三作為一系列大型星座最具吸引力的軌道，提供多種基于數據的服務（衛星通信、地球觀測和測繪、導航和定位等）。圖1顯示了LEO、MEO和GEO軌道的相對定位。

這種向非GEO的轉變是由于較低的發射成本，采用衛星的大規模制造技術，通信和天線技術和傳感器的技術進步，衛星間鏈路的光學技術以及大量私人資本為這些大型項目提供資金。

航天器在低地球軌道中的使用越來越多，這給在軌衛星通信鏈路的設計者帶來了新的挑戰。GEO的固定通信鏈路已被需要調整的鏈路所取代，即使它們以7.5公里/秒的速度繞地球運行，也能與地球上的位置進行通信。 AESA正在這些現代衛星通信系統中使用，不僅提供自適應地將天線信號引導到其預定目標的正確方向的能力，而且還支持多個波束， 這允許同時支持多個用戶。在軌衛星對組件選擇有獨特的要求，對于將天線元件連接到發射和接收信號鏈的有限元組件尤其如此。本文將探討此類系統中FE（放大器）元件選擇的設計考慮因素。

從GEO到LEO的轉變

GEO衛星提供了良好的服務，那么為什么要改變呢？

盡管發射成本高，但地球靜止軌道的衛星有一個顯著的優勢，即由于軌道與地球自轉同步，它們在天空中處于固定位置。這允許部署固定位置衛星天線和帶有拋物面碟形天線的相對低成本的VSAT終端 - 數據服務的關鍵推動因素，尤其是直接到戶（DTH）衛星電視服務。GEO中的衛星具有最大的地球覆蓋范圍（如圖2所示），只需要三顆GEO衛星即可提供全球覆蓋。四

盡管GEO具有明顯的優勢，但LEO向衛星的轉變有幾個關鍵驅動因素，主要集中在不斷發展的通信網絡上。我們生活在一個高度互聯的世界中，但現實情況是，世界上很大一部分人口生活在沒有互聯網連接或服務不足的地區——例如，位于赤道平面上的GEO減少了極地地區的服務。LEO中的大型衛星通信星座可以為這些區域帶來相對高速的連接。對于目前由互聯網連接服務的區域，LEO星座承諾為消費者和B2B提供更高的數據速率 - 相當于光纖。擬議的LEO星座的大小，包括一些內置的 由于可用的衛星數量較多，冗余帶來了網絡彈性的優勢。這種彈性是政府和軍事用戶以及商業世界感興趣的。最后，較低的制造和發射成本意味著隨著新技術的出現，衛星網絡可以輕松升級。

圖1.LEO、MEO 和 GEO 軌道的比較。

圖2.來自GEO，MEO和LEO的地球覆蓋范圍。

衛星軌道

非GEO星座是使用特定軌道或混合軌道中的衛星配置的。更流行的軌道包括赤道軌道（由MEO中的SES O3b mPOWER星座使用），衛星通常遵循赤道，從赤道軌道傾斜數度并沿與地球自轉相同的方向從西向東跟蹤的傾斜軌道，以及極地軌道，其中每顆衛星將遵循特定的經線，同時繞每個極點運行（例如， 壹網）。幾個大型LEO星座，如Telesat Lightspeed和SpaceX Starlink，將使用傾斜和極地軌道的混合，以在北部地區提供最佳覆蓋范圍，因為傾斜軌道只能在一定的緯度上運行。極地軌道提供了三個軌道類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北緯的額外覆蓋，以及傾斜軌道上的衛星外殼。極地軌道也更容易受到輻射效應的影響。衛星排列在圓形平面上，每個平面在地球上方的高度恒定。星座的大小由飛機數量乘以每個平面的衛星數量給出（見圖3）。v

進入獅子座星座

一些星座已經發射，或者計劃向低地球軌道發射數百顆，在某些情況下是數千顆小型衛星。與GEO鏈路相比，LEO中的衛星為衛星通信提供了兩個明顯的優勢。首先，由于軌道的高度，信號延遲減少。從地球到LEO衛星的信號路徑要短得多（~GEO衛星的1/35），將信號延遲降低一個數量級至~25毫秒，一些人認為這將使LEO衛星通信能夠參與5G服務的擴展，其承諾是數據密集型實時服務。第二個優點是單個LEO衛星的數據容量集中在更小的區域，可能為個人用戶提供更大的數據帶寬 - 取決于星座的整體數據容量。在覆蓋區域內，衛星通常會生成多個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使用分配的頻率，這可以避免波束間干擾并優化數據可用性。高通量衛星（HTS和vHTS）也可以提供這種數據集度;然而，地球靜止軌道衛星的總體數據容量低于典型的低地球軌道星座。六具有高數據容量的大型星座的一個局限性是，由于許多星座航天器將在海洋或地球上無人居住的地區飛行，因此一次只有一小部分（33%至50%）的總數據容量可供用戶使用。

星座大小對成本和任務壽命的影響

由于使用了大規模生產技術，并且由于任務壽命較短和輻射環境較少，可以使用成本較低，非密封，通常是塑料封裝的組件，因此建造星座衛星的成本更低。低地球軌道衛星的任務壽命通常為5年至7年，因為低地球軌道的大氣阻力增加，維持軌道的燃料使用量增加，而低地球軌道衛星由于尺寸較小，燃料容量有限。低地球軌道衛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通常需要100克拉德，因為其任務壽命更長，輻射暴露更高。

LEO和關鍵使能技術的挑戰

管理流向星座的數據流越來越復雜。數據從地球站通過衛星間鏈路（ISL）使用無線電或光鏈路通過星座路由。這是必要的，因為LEO衛星可能并不總是在地球站的視線范圍內。

從地球上看，非GEO衛星在天空中移動，而不是GEO衛星的固定位置。這是維持其軌道所需的軌道速度的一個因素。由于大氣阻力增加和軌道降低，LEO衛星必須比高軌道的衛星快。為Starlink星座提議的衛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衛星僅對用戶可見4.1分鐘。地球靜止軌道衛星的用戶可以使用位于衛星上的固定天線，而低地球軌道衛星服務的用戶必須使用能夠在低地球軌道衛星穿越天空時跟蹤其天線。同樣，衛星的天線必須能夠在軌道上移動時跟蹤地球上的服務區域。MEO中的衛星，如O3b星座，已經使用了機械操縱天線，這可能是因為它們的軌道速度較慢。低地球軌道衛星必須使用某種形式的AESA，因為機械轉向系統無法滿足跟蹤要求。在LEO中需要可操縱光束的同時，對多個光束的一般要求。多個波束允許衛星優化多個數據網關或服務區域的服務和數據吞吐量。LEO應用需要的是能夠獨立支持多個波束的電子波束控制的天線。一些星座建議每顆衛星最多16個可操縱的用戶波束。

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

AESA 和波束成形

傳統的拋物面天線通常具有發射器和接收器的單個饋電，并且指向固定位置或機械轉向。電子波束控制陣列天線由多個天線元件組成，其輻射方向圖旨在與陣列中相鄰元件的輻射方向圖進行建設性組合，形成所謂的主瓣——見圖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的能量，但由于非理想性，將有一些能量引導到不在所需方向的旁瓣中。天線設計旨在最大化主瓣的能量，同時最小化旁瓣的能量。主瓣可以通過調整天線元件的各個振幅和相位來塑造和轉向?，F代IC技術可以實現可調增益和相位，可以以微秒為單位進行更新，即使在衛星和機載應用的大型元件陣列上也能提供快速轉向。八旁瓣減少對于LEO應用至關重要，因為由于衛星靠近地球，旁瓣可能會造成干擾。

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

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

與航空航天和國防領域的大多數應用一樣，尺寸、重量、功耗和成本 （SWaP-C） 是決定系統和子系統中組件選擇的重要特征。對于在軌應用，尺寸和重量受到發射能力的限制，更大更重的系統發射成本要高得多。事實上，在大型星座的情況下，每顆衛星都必須符合預定的外形尺寸，這允許從火箭的發射艙發射多顆衛星。此外，由于在軌系統幾乎完全依賴太陽能和電池備份系統，因此在選擇組件時，功耗是一個關鍵規格。

對于用于在軌應用的陣列天線設計人員，陣列尺寸和元件間距要求有限元組件（接收天線的LNA;發射天線的驅動器/PA）盡可能小，因為陣列的每個元件都有自己的前端，通常需要多個組件，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。典型的實現方案將采用專用于多個天線元件的波束成形核心芯片，然后每個元件都有自己的FE器件（接收器和驅動器的LNA和/或收發器的PA）。高增益接收天線可以通過串聯多個高增益LNA來實現FE，以實現所需的輸入增益。在這種情況下，元件尺寸很重要，因為元素間間距會隨著頻率的提高而減小。對于 Ka 頻段接收器（26 GHz 至 28 GHz），對于 λ/2 晶格間距，元件間距為 ~5 mm。保持LEO應用的寬掃描角度決定了陣列元件必須放置在λ/2間距。對于GEO平臺上使用的天線陣列，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 外形尺寸使管理關鍵元件放置變得更加容易，許多封裝內還包括直流模塊和射頻扼流圈，以進一步簡化布局任務。

在為在軌應用選擇放大器時，器件性能至關重要。對于LEO衛星接收天線，噪聲系數（以dB為單位的NF）是最重要的，因為它會影響系統噪聲系數，這直接影響陣列中所需的元件數量，從而影響天線尺寸?；叵胍幌?，低地球軌道衛星比地球靜止軌道中的衛星小;因此，容納天線的空間可能會受到限制。對于典型陣列，需要<2 dB的系統噪聲系數，以保持陣列大小可控。將系統噪聲系數降低1 dB可使天線元件數量減半，因此LNA NF對系統噪聲系數的貢獻至關重要。LNA增益也很重要，因為需要高增益來恢復和放大接收信號。通常，部署幾級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（通過輸出IP3測量）是一個關鍵規格。雖然接收機信號強度在很大程度上取決于發射地面站，但接收機線性度對于保持最大可能的數據速率（使用復雜的調制方案）非常重要。ADL8142（低功耗Ka波段LNA）等器件可以通過調整功耗（IDQ） 來補償接收路徑的變化。對于發射天線，FE將是一個驅動放大器或PA。同樣，線性度對于確保盡可能高的傳輸速率至關重要，但這里的輸出功率（OP1dB）將決定每個天線元件可以貢獻的功率量。對于在軌應用，輸出放大器的功率附加效率（PAE）很重要，主要有兩個原因：（1）由于太陽能電池板（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處理非轉換功率產生的熱量。

ADI衛星通信IC

ADI公司開發了一系列滿足一系列應用要求的器件，這些器件采用波束成形，包括衛星通信、民用和軍用雷達以及5G通信。特別是對于衛星通信，ADAR3000和ADAR3001分別提供衛星Ka波段發射和接收波束成形。每個器件均具有 4 波束/16 通道波束成形功能，使用可編程時間延遲和衰減。每個都采用緊湊的 BGA 封裝。為了補充波束成形IC，有 ADAR5000（4：1威爾金森分路器/合路器）用于波束分配，天線FE選項包括專為Ka頻段（23 GHz至31 GHz）在軌應用而設計的ADL8142 LNA。ADL8142采用小型2 mm × 2 mm LFCSP/QFN封裝，針對低噪聲系數（1.6 dB）、高線性度（20 dBm OIP3）和高增益（27 dB）進行了優化，在僅1.5 V的電壓軌下功耗僅為50 mW——有關ADL8142增益和噪聲系數的詳細信息，請參見圖5。ADL8142提供COTS和商用空間版本。在發射端，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，可用作元件驅動器。有關ADL8107增益和輸出P1dB的詳細信息，請參見圖6。

圖5.ADL8142—增益（左）和噪聲系數（右）與溫度的關系與頻率的關系。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衛星星座能夠實現其無處不在、靈活和高帶寬數據通信的承諾。波束成形天線設計人員可以利用ADI公司提供的信號鏈組件的靈活產品，從數據轉換器到變頻器和波束成形器再到FE組件。天線有限元在整個信號鏈中至關重要，因為它們不僅決定系統的噪聲性能，而且還必須符合特定的機械和功耗限制。ADI正在開發一系列高性能器件，如ADL8142 LNA，以滿足在軌衛星通信的獨特要求。

審核編輯：郭婷