連接需求無(wú)處不在，衛(wèi)星通信行業(yè)也隨之迅速擴(kuò)張。許多公司紛紛開(kāi)發(fā)先進(jìn)的系統(tǒng)，并部署在地球同步軌道(GEO)、低地球軌道(LEO)和中地球軌道(MEO)中。這一發(fā)展將滿足不同的連接需求，也必將大幅改變?nèi)蛲ㄐ努F(xiàn)狀。

不斷發(fā)展的衛(wèi)星市場(chǎng)

地球同步軌道(GEO)系統(tǒng)

無(wú)處不在的連接需求持續(xù)攀升，衛(wèi)星通信行業(yè)即將迎來(lái)爆炸式增長(zhǎng)，多個(gè)大容量衛(wèi)星系統(tǒng)已在軌運(yùn)行或計(jì)劃在不遠(yuǎn)的未來(lái)進(jìn)入軌道運(yùn)行。在軌的地球同步軌道系統(tǒng)有ViaSat-1和ViaSat-2，容量分別為140GBPS和300GBPS。ViaSat-3衛(wèi)星也已于近期公布，將提供1TBPS的數(shù)據(jù)容量，這顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)容量將超過(guò)全球其他GEO衛(wèi)星的容量總和。其他的GEO衛(wèi)星包括Jupiter-1/Echostar-17和Jupiter-2/Echostar-19，容量分別為100GBPS和220GBPS，而2023年7月發(fā)射的Jupiter-3/Echostar-27的容量為500GBPS。

低地球軌道(LEO)系統(tǒng)

除了GEO衛(wèi)星，其他衛(wèi)星也為航空行業(yè)貢獻(xiàn)了巨大容量。目前，Telesat、OneWeb、SpaceX、Iridium和LeoSat等多個(gè)低地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)已進(jìn)入設(shè)計(jì)階段。這些系統(tǒng)組成的星座將環(huán)繞著地球，同時(shí)能夠覆蓋地球上以前未接收過(guò)衛(wèi)星服務(wù)的地區(qū)。這些星座的規(guī)模從數(shù)百顆到數(shù)千顆衛(wèi)星不等，總?cè)萘繉⑹挚捎^。最近，SpaceX/Starlink獲得美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)批準(zhǔn)，除了已獲批的4,000顆衛(wèi)星，還將發(fā)射另外7,000顆互聯(lián)網(wǎng)傳輸衛(wèi)星。這將使他們的星座總數(shù)達(dá)到12,000顆衛(wèi)星。除這些低地球軌道衛(wèi)星外，OneWeb星座計(jì)劃再增加約600顆衛(wèi)星。Telesat將運(yùn)行292顆LEO衛(wèi)星，并有可能增加至512顆LEO衛(wèi)星。其他公司的規(guī)劃類似，也將發(fā)射更多衛(wèi)星。這些LEO衛(wèi)星系統(tǒng)將為個(gè)人用戶提供全球互聯(lián)網(wǎng)寬帶服務(wù)。這些衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)公司計(jì)劃為數(shù)百萬(wàn)目前無(wú)法接入寬帶的潛在偏遠(yuǎn)用戶提供寬帶接入服務(wù)。

中地球軌道(MEO)系統(tǒng)

在中地球軌道系統(tǒng)，人們可以看到O3b(O3b mPOWER是SES所有并負(fù)責(zé)運(yùn)行的通信衛(wèi)星系統(tǒng))正在擴(kuò)大其緯度50度赤道軌道衛(wèi)星群，從16顆增加至42顆，新衛(wèi)星將部署在傾斜軌道上，為南北兩極提供服務(wù)。最新發(fā)射的7顆衛(wèi)星將單獨(dú)提供10TBPS的總數(shù)據(jù)容量。

LEO、MEO和GEO系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

這三種不同的軌道衛(wèi)星系統(tǒng)將全面覆蓋我們的日常需求。每個(gè)軌道系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)又作為一個(gè)整體工作。地球同步軌道弧線距離地球最遠(yuǎn)，位于赤道正上方約35,800公里處，位置相對(duì)于地球固定，只需少量衛(wèi)星即可覆蓋較大地理區(qū)域，這是其優(yōu)勢(shì)所在。然而，距離越遠(yuǎn)，延遲時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)于GEO而言，延遲時(shí)間約為600 到800毫秒。毋庸置疑，該技術(shù)非常適合用于電視、無(wú)線電、氣象通信和廣播服務(wù)。

相比之下，低地球軌道衛(wèi)星的軌道與地球相距500公里至1,500公里。這些衛(wèi)星的體積較小，制造和發(fā)射成本也較低，而生命周期較短，因此實(shí)現(xiàn)全球覆蓋需要許多這樣的衛(wèi)星。由于距離地球較近，這些衛(wèi)星的移動(dòng)速度更快，因此需要更多的衛(wèi)星才能覆蓋整個(gè)地球。LEO衛(wèi)星常常在海洋上空運(yùn)行，因此效率較低，但它們確實(shí)能為遠(yuǎn)離海岸的船舶提供更好的通信覆蓋。相較于GEO系統(tǒng)，與LEO/MEO衛(wèi)星的通信往往更為復(fù)雜，因?yàn)榈孛嬲拘枰櫠囝w衛(wèi)星，并在多顆衛(wèi)星之間切換。與GEO衛(wèi)星相比，LEO衛(wèi)星的另一大優(yōu)勢(shì)是延遲。后者的延遲顯著縮短，介于30至50毫秒之間，因此更適用于游戲、視頻流傳輸、音頻和快速互聯(lián)網(wǎng)通信等應(yīng)用。

MEO衛(wèi)星的軌道位于地球上空約5,000至12,000公里，延遲為125 至250毫秒，因而非常適合用于全球定位系統(tǒng)(GPS)應(yīng)用以及可以承受適度傳播延遲的服務(wù)。

如此巨大的容量將產(chǎn)生數(shù)量空前的用戶終端，其中大多數(shù)終端必須具備可轉(zhuǎn)向天線技術(shù)。衛(wèi)星或衛(wèi)星終端在運(yùn)行時(shí)離不開(kāi)可轉(zhuǎn)向天線。因此，LEO和MEO系統(tǒng)需借助可轉(zhuǎn)向天線來(lái)滿足固定用戶和移動(dòng)用戶的需求。同樣，GEO系統(tǒng)需要可轉(zhuǎn)向天線來(lái)滿足移動(dòng)用戶或自動(dòng)指向應(yīng)用的需求。對(duì)于后者，天線波束可自動(dòng)指向GEO衛(wèi)星，從而獲得非常高的吞吐量性能。

傳統(tǒng)上，在下行鏈路，全球大容量衛(wèi)星常用頻段為10.7-12.75GHz或17.7-20.2GHz;而在上行鏈路，常用頻段為13.75-14.5GHz和 27.5-30.0GHz。若要充分利用正在部署的大量航天資源，衛(wèi)星行業(yè)應(yīng)如何大規(guī)模生產(chǎn)具有可轉(zhuǎn)向波束的高頻有源天線?高性能、小尺寸、僅需使用二維制造方法且尺寸可擴(kuò)展的天線是關(guān)鍵，以便滿足各種用例需求，包括大型高吞吐量終端和較小低吞吐量終端。

電掃有源相控陣天線在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

相控陣天線可以解決許多類似挑戰(zhàn)。相控陣天線是一個(gè)由不同相位和振幅信息組成的輻射元件陣列，利用不同的相位和振幅上形成波束指向特定方向。因此，波束以電子方式掃描，無(wú)需移動(dòng)部件。由于不需要笨重的機(jī)械萬(wàn)向架，所以這類天線更小、更可靠，維護(hù)成本更低。

任何無(wú)線電系統(tǒng)要想獲得最高性能，功率放大器和低噪聲放大器都必須盡可能地靠近天線，以盡量減少前端饋電損耗。在相控陣天線中，需要為輻射元件提供發(fā)射端/接收端+波束控制功能。陣列中輻射元件(晶格)之間的距離通常為半個(gè)波長(zhǎng)，因此相控陣天線電子器件的實(shí)際可用空間相當(dāng)有限，特別是在波長(zhǎng)非常短的較高頻率下。硅技術(shù)是少數(shù)能夠提供所需射頻、模擬和數(shù)字功能充分集成的單片技術(shù)。幸運(yùn)的是，根據(jù)摩爾定律，硅已經(jīng)發(fā)展到陣列中不再需要GaAs等III-V族半導(dǎo)體元件，這大大節(jié)省了成本并簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。

平面相控陣的典型結(jié)構(gòu)使用多層印刷電路板(PCB)，其中PCB一側(cè)是用金屬印刷的天線元件，另一側(cè)則是硅控制電子器件。PCB的內(nèi)層提供波束成形網(wǎng)絡(luò)、直流電壓和控制信號(hào)路由。借助這種結(jié)構(gòu)，制造商可使用貼片機(jī)和紅外回流焊進(jìn)行簡(jiǎn)單的表面貼裝。要想獲得出色的性能，就要在匹配、損耗和功率方面優(yōu)化整體布局。Qorvo的產(chǎn)品旨在以最低的電路板成本和復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)優(yōu)化布局。

平面相控陣天線的尺寸可擴(kuò)展，可使用較大的天線以支持品質(zhì)因素 (G/T)或有效全向輻射功率(EIRP)更高的應(yīng)用，或者可使用較小的天線以支持G/T或EIRP較低的應(yīng)用。無(wú)論天線陣列的尺寸如何，位于天線晶格內(nèi)的硅基IC發(fā)生階躍，并在整個(gè)陣列中重復(fù)。

Qorvo IC助力實(shí)現(xiàn)下一代有源相控陣平板

Qorvo的第二代衛(wèi)星通信IC專為本文所述的大批量、低成本相控陣終端設(shè)計(jì)。這些器件經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)，可用于覆蓋全球衛(wèi)星通信Ku、K和Ka頻段的FDD(頻分雙工)操作。該系列中的每一款I(lǐng)C都支持四個(gè)具有完整極化靈活性的雙極化輻射元件。每個(gè)信道可單獨(dú)控制相位和增益，以實(shí)現(xiàn)極大的靈活性。通過(guò)每個(gè)元件的增益控制，客戶還可以調(diào)整每個(gè)元件的增益，以達(dá)到所需的旁瓣電平。此外，每個(gè)發(fā)射端元件上提供帶有ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的功率檢測(cè)器電路，用于估測(cè)發(fā)射輸出功率。這些IC采用1.2V單電源供電，提供高增益、低噪聲和出色的直流效率。其他功能包括溫度增益補(bǔ)償、溫度報(bào)告和陣列零點(diǎn)校準(zhǔn)。所有這些功能集成在4.4x3.6mm的WLCSP小型封裝中，可輕松安裝到平面相控陣天線中。

Qorvo的零校準(zhǔn)(ZERO-CAL)技術(shù)無(wú)需校準(zhǔn)陣列，從而縮短客戶的測(cè)試時(shí)間，并降低復(fù)雜性和成本。這些IC還提供快速波束控制，以便在移動(dòng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)快速角度跟蹤并在LEO/MEO衛(wèi)星之間快速切換波束。溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)允許在-40攝氏度至+85攝氏度溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒定的增益性能。最后，該系列IC可向主機(jī)系統(tǒng)提供遙測(cè)數(shù)據(jù)，支持系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行主動(dòng)維護(hù)，減少昂貴的出車維修成本。

Qorvo的衛(wèi)星通信IC采用300mm CMOS硅片，兼具高性能與低成本，從而讓用于衛(wèi)星通信的有源電子掃描天線真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

結(jié)論

Qorvo在各個(gè)5G毫米波、衛(wèi)星通信和雷達(dá)頻段提供IC，從而確保為真正的低成本、高性能平板解決方案帶來(lái)更大規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。憑借 Ku波段和K/Ka波段第二代衛(wèi)星通信IC，Qorvo為L(zhǎng)EO、MEO和 GEO衛(wèi)星通信地面終端和移動(dòng)衛(wèi)星應(yīng)用中的大規(guī)模商業(yè)部署樹(shù)立了高性能、低成本平板天線的標(biāo)桿。