RFIC在高容量、低延迟LEO卫星用户和地面终端方面的进步

本文介绍了推动低地球轨道（LEO）卫星部署的主要市场趋势。它将讨论LEO卫星系统的基本操作，并介绍一些半导体RFIC的进步，这些进展使下一代Ku和Ka波段LEO用户和地面终端成为可能。

LEO连接——成功之路

卫星通信 （satcom） 是一种传输语音、视频和数据的既定手段，用于在称为地球静止赤道轨道 （GEO）、中地球轨道 （MEO） 和 LEO 的主流轨道上的各种用例中。卫星通信被视为通信GPS的有效手段，用于导航，天气信息，电视广播，语音，数据，也用于成像和基于科学的应用。然而，围绕LEO卫星星座计划新一波承诺的高速互联网连接。这将为下一代互联网通信提供低延迟、高容量的宽带连接。

LEO卫星将在5G蜂窝连接的持续推出中发挥重要作用。卫星网络越来越多地参与3GPP标准化，它们在未来网络中的预期作用正在开发中。2017年，3GPP标准机构内启动了活动，以了解卫星通信网络在5G连接中的可行性。通过 3GPP 标准的第 15、16、17 和 18 版，开发了多项活动来支持这些网络的集成。LEO卫星可以为服务不足的地区提供广域覆盖，为移动中的人们提供服务的连续性，连接到机器对机器（M2M）/物联网（IoT）设备，并以具有成本效益的方式成为5G的显着升级路径。

下一代LEO系统将在地球表面上方500公里至2000公里的轨道上运行，并将为过去的卫星网络提供技术上优越的解决方案。如此接近地球意味着它们将提供更低的延迟连接，这对于消费者或商业用例（例如，互联网游戏或实时控制工业/医疗设备）非常重要。低地球轨道卫星应提供大约50毫秒的延迟（下一代技术将改善到<20毫秒），而GEO则为700毫秒。

低地球轨道卫星的一个关键推动因素是，由于轨道较低，它们的辐射暴露要低得多。这很重要，因为这意味着可以放宽昂贵且有时令人望而却步的抗辐射测试。这将产生规模经济，因为建造低地球轨道卫星的成本现在大大降低。更少的辐射意味着半导体工艺的更广泛可用性，因此意味着可以使用的组件。

鉴于轨道较低，预计部署的卫星数量要多得多。此类卫星的平均寿命将比以前的用例短得多;也许在 5 到 8 年之间，之后这些卫星将脱离轨道并需要更换。低地球轨道卫星必须具有成本效益才能发射和重新发射替代品。

所有这些趋势都引起了行业监管机构的注意，因为LEO宽带连接业务案例开始看起来很强劲。如果我们还记得在 1990 年代，这家互联网企业是几家公司的目标，但不幸的是，由于部署成本高和需求有限，它失败了。快进到今天，我们看到半导体技术的显着进步提供了前所未有的性能和集成度。再加上在更多农村或服务不足的环境中对高速、低延迟互联网连接的指数级需求，以及将卫星通信集成到 5G 标准中，未来的 LEO 星座将处于一个更好的成功平台上。

在撰写本文时，预计用户可以实现 100 Mbps 的最大下行链路数据速度，未来可能会扩展到 150 Mbps，这是多用户、全时视频流的理想选择。

LEO面临的一个挑战是卫星的不断移动性质 - 星座确实需要完全部署才能成为最小可行的服务。这意味着初始支出很高，因为低地球轨道卫星的数量更多，因为它们的轨道较低。但即便如此，这似乎并不是现在成功的障碍，对投资者来说，无处不在的覆盖的商业案例是强有力的。

低地球轨道卫星系统如何工作？

LEO卫星通信系统由三个主要组件组成，如图1所示。

图1.LEO卫星通信的地面空间场景示例。

用户终端/用户设备 （UE）

这些是用户和卫星之间的直接链接，并且往往是低成本的，易于设置的终端位于家庭中，但也可以是移动终端（例如，海事，移动中的卫星通信，战术便携式无线电）。用户终端利用高水平的 IC 集成来简化物料清单 （BOM）、降低成本并保持较小的外形尺寸。

地面站/网关

这些是通常通过光纤连接到服务器（互联网连接的数据中心）的地面连接，它们将卫星连接到地面。它们部署在地球上的固定位置。

卫星

卫星群称为星座，它们绕地球运行，同时提供连接终端和网关的链接。

LEO卫星在太空中移动，通常一颗卫星将在90分钟到110分钟的时间内绕地球运行，称为轨道周期。因此，连接到卫星的用户只会在该卫星的范围内停留很短的时间（最多 20 分钟）。因此，普通用户在正常运行期间将连接到多颗卫星。因此，必须将系统的用户移交给进入范围的其他卫星，其方式类似于人在行驶中的汽车中使用手机和蜂窝网络中的一个基站移交给另一个基站。这对如何控制波束以保持与最合适卫星的最佳链接提出了严格的要求。

另一个有趣的演变是卫星系统在超出地面站范围时如何保持运行。在图1中，我们展示了一些可能影响地面站链路速度的恶劣天气。传统上，卫星使用弯曲的管道，这意味着卫星必须始终找到与地球或其他方式（飞机）的链接路径，以作为返回太空中另一颗卫星的跳跃，然后可以在地面站的范围内。一种新技术是通过卫星间链路，在空间中使用光学或V和E波段连接来连接卫星。

用户终端上/下变频器的进步

用户终端正在推动IC集成的显著提高，ADI公司正在利用硅工艺技术的性能和集成能力来满足这一需求。这些解决方案需要最高水平的IC集成度，以实现最小外形的无线电终端，同时保持最低的功耗并严格遵守每个无线电的最佳成本。

上/下变频器（UDC）是用户终端中的基础产品，它们将调制解调器IF或基带信息直接连接到Ku频段或Ka频段。

RFIC UDC 的频率覆盖目标是：

Ku 频段：~10.7 GHz 至 ~14.5 GHz

下行链路（卫星到地面）：10.7 GHz 至 12.7 GHz

上行链路（地面到卫星）：14 GHz 至 14.5 GHz

Ka 频段：~18 GHz 至 ~31 GHz

下行链路（卫星到地面）：17.7 GHz 至 21 GHz

上行链路（地面到卫星）：27 GHz 至 31 GHz

下行链路和上行链路的频率是分开的，因此从卫星到用户终端的通信使用两个独立的频段。因此，RFIC公司必须为每个用户终端设计单独的频段上下转换器。

根据上行链路与下行链路的不同，用户终端链路通常覆盖 125 MHz 至 250 MHz 的信道带宽 （BW），网关覆盖 250 MHz 至 500 MHz。但是，某些部署在用户和网关链路之间具有共享带宽功能，因此信道带宽可以在其运行的频率中重新配置。

低地球轨道卫星不断移动，如图1所示。因此，端子内的上/下变频器频率合成器必须实现快速锁定时间，以实现不间断连接。频率合成器用于辅助频率上变频和下变频。它们在使终端能够在运行期间连接和重新连接到不同的卫星方面发挥着至关重要的作用，因为空中频率在从一颗卫星到另一颗卫星的操作频段（即Ka和Ku频段）内不断变化。

ADI开发了一系列针对用户终端的Ku和Ka频段UDC，以解决尺寸、重量、面积、功耗和成本（SWaP-C）问题。这些UDC包含广泛的RF和IF信号调理，例如滤波器、放大器、衰减器、PLLVCO和功率检测。所有IC的设计都考虑到了用户终端的信号链性能。ADMV4630/ADMV4640是Ku频段UDC，支持卫星调制解调器的IF接口，如图2和图3所示，IC性能亮点如表所示。

图2.高度集成的Ku频段上变频器，带有直接来自卫星通信调制解调器的IF接口。

图3.高度集成的Ku频段下变频器，具有直接与卫星通信调制解调器的IF接口。

针对更高频率的Ka频段，ADI开发了ADMV4530/ADMV4540 UDC（图4和图5），支持需要I/Q基带接口的卫星通信调制解调器。请注意，ADMV4530上变频器是一款双模器件，也可支持IF接口。这些解决方案采用硅设计，可提供最高水平的集成度，以管理这些大批量终端应用中的集成压力。

图4.高度集成的Ka频段上变频器，具有直接来自卫星通信调制解调器的I/Q和IF接口。

图5.高度集成的Ka频段下变频器，具有直接连接到卫星通信调制解调器的I/Q接口。

更高性能的终端 UDC

终端市场中的一些应用是性能驱动的，对其尺寸和最低成本设计目标的限制较少。他们可以自由使用离散的RFIC解决方案。将元件保存在单独的封装中，可以混合使用包括MESFET、pHEMT、BiCMOS和CMOS IC在内的工艺技术，以优化任何设计要求。分立式设计允许多种类型的性能与尺寸权衡，从而在设计过程中提供最大的灵活性。设计人员可以创建更高性能的无线电，提供更高的输出功率并支持更宽的带宽。此外，还可以实现更高的接收器灵敏度，以改善动态范围和杂散性能。应该注意的是，地面站/网关也属于此类解决方案。网关的尺寸更大，当然不是由终端级别的相同集成需求驱动的。网关利用不同的工艺技术为市场带来性能最优化的解决方案。在ADI，我们将继续扩展分立式解决方案产品组合，以应对各种用例。图6所示为分立式高性能解决方案。

图6.分立式HMC798A Ka频段用户终端的功能图。

使用电子可控天线降低用户终端的成本

公司正致力于通过消除传统上与安装设备并定位卫星位置的专业承包商相关的昂贵安装成本来降低用户终端的部署成本。这是通过将天线与在单个室外机（ODU）中处理通信链路所需的所有电子设备（例如移相元件，RFIC UDC）相结合来实现的。ODU是驻留在家庭外部并瞄准天空的天线阵列。室内机（IDU）连接到ODU，并用作传统路由器（有线或无线），为用户提供互联网连接（例如，PC或电话）。

如前所述，LEO星座将有许多卫星进出地面终端视野，因此使用电子可控天线（ESA）的效率要高得多，因为它可以通过电子方式引导发射和接收能量束来实现高方向性卫星的方向。因此，当卫星进出用户终端的视野时，通过卫星之间的近乎瞬时的切换，保持从一颗卫星到另一颗卫星的最佳链路。事实上，当您想到轨道周期和在正常运行过程中需要连接的卫星数量时，ESA几乎是一项要求。

为了应对这一挑战，ADI开发了Ku波段波束形成集成电路（BFIC）技术。ADMV4680是一款专为用户终端设计的硅解决方案，允许半双工通道独立控制信号的增益和相位。值得注意的是，该IC的尺寸仅为8.2 mm2如图7所示。

开发BFIC技术以最大限度地降低整体无线电成本的核心是系统和阵列专业知识。机械装配和PCB设计（包括堆叠和层数）是无线电成本驱动因素的一部分。当BFIC的开发考虑了机械和PCB设计时，将产生最低的总体无线电成本。在ADI，我们与客户密切合作，并拥有内部PCB专家来帮助您。事实上，IC设计和最终配置是系统权衡研究的一部分。

图7.高度集成的半双工 Ku 波段 4 通道波束成形 IC。

采用ESA跟踪LEO卫星并优化链路速度可实现低成本设置，通常这些设置是即插即用的。ESA和向更集成的ODU的迁移从根本上简化了部署并降低了系统成本。ESA还实现了更扁平的面板和美观的设计。

值得注意的是，在最高性能终端应用中，使用双抛物面转向天线。在这些情况下，成本和美学不是主要驱动因素，整体性能是重点。当涉及到消费者和注重成本的小型企业解决方案时，ESA是迄今为止实现最低无线电成本同时满足系统设计目标的最佳方式。

结论

LEO互联网连接是一个令人兴奋的新领域，当今大多数政府和互联网提供商都在考虑太空竞赛。随着世界继续变得更加互联，LEO将通过进一步加强3GPP标准从太空到农村地区的连接，在5G中发挥重要作用。用户终端上的RFIC集成要求变得越来越具有挑战性，ADI公司将继续开发该领域的解决方案和路线图IC。