如何为非GEO空间应用选择天线前端组件

采用有源电子扫描天线（AESA）进行卫星通信（satcom）为运营商和消费者提供了更大的灵活性。本文将回顾在这些波束成形阵列中选择天线前端（FE）组件（低噪声放大器和功率放大器）时的设计考虑因素。

介绍

我们已经使用卫星技术60多年了。尽管早期的卫星被发射到低地球轨道（LEO）我由于发射和尺寸的限制，我们最熟悉地球同步轨道（GEO）中的卫星第二他们提供了一系列关键服务，如电信、卫星电视、地球观测，当然还有为政府及其军队提供的一系列服务。然而，现在定位LEO和中地球轨道（MEO）发生了重大转变。第三作为一系列大型星座最具吸引力的轨道，提供多种基于数据的服务（卫星通信、地球观测和测绘、导航和定位等）。图1显示了LEO、MEO和GEO轨道的相对定位。

这种向非GEO的转变是由于较低的发射成本，采用卫星的大规模制造技术，通信和天线技术和传感器的技术进步，卫星间链路的光学技术以及大量私人资本为这些大型项目提供资金。

航天器在低地球轨道中的使用越来越多，这给在轨卫星通信链路的设计者带来了新的挑战。GEO的固定通信链路已被需要调整的链路所取代，即使它们以7.5公里/秒的速度绕地球运行，也能与地球上的位置进行通信。 AESA正在这些现代卫星通信系统中使用，不仅提供自适应地将天线信号引导到其预定目标的正确方向的能力，而且还支持多个波束， 这允许同时支持多个用户。在轨卫星对组件选择有独特的要求，对于将天线元件连接到发射和接收信号链的有限元组件尤其如此。本文将探讨此类系统中FE（放大器）元件选择的设计考虑因素。

从GEO到LEO的转变

GEO卫星提供了良好的服务，那么为什么要改变呢？

尽管发射成本高，但地球静止轨道的卫星有一个显着的优势，即由于轨道与地球自转同步，它们在天空中处于固定位置。这允许部署固定位置卫星天线和带有抛物面碟形天线的相对低成本的VSAT终端 - 数据服务的关键推动因素，尤其是直接到户（DTH）卫星电视服务。GEO中的卫星具有最大的地球覆盖范围（如图2所示），只需要三颗GEO卫星即可提供全球覆盖。四

尽管GEO具有明显的优势，但LEO向卫星的转变有几个关键驱动因素，主要集中在不断发展的通信网络上。我们生活在一个高度互联的世界中，但现实情况是，世界上很大一部分人口生活在没有互联网连接或服务不足的地区——例如，位于赤道平面上的GEO减少了极地地区的服务。LEO中的大型卫星通信星座可以为这些区域带来相对高速的连接。对于目前由互联网连接服务的区域，LEO星座承诺为消费者和B2B提供更高的数据速率 - 相当于光纤。拟议的LEO星座的大小，包括一些内置的 由于可用的卫星数量较多，冗余带来了网络弹性的优势。这种弹性是政府和军事用户以及商业世界感兴趣的。最后，较低的制造和发射成本意味着随着新技术的出现，卫星网络可以轻松升级。

图1.LEO、MEO 和 GEO 轨道的比较。

图2.来自GEO，MEO和LEO的地球覆盖范围。

卫星轨道

非GEO星座是使用特定轨道或混合轨道中的卫星配置的。更流行的轨道包括赤道轨道（由MEO中的SES O3b mPOWER星座使用），卫星通常遵循赤道，从赤道轨道倾斜数度并沿与地球自转相同的方向从西向东跟踪的倾斜轨道，以及极地轨道，其中每颗卫星将遵循特定的经线，同时绕每个极点运行（例如， 壹网）。几个大型LEO星座，如Telesat Lightspeed和SpaceX Starlink，将使用倾斜和极地轨道的混合，以在北部地区提供最佳覆盖范围，因为倾斜轨道只能在一定的纬度上运行。极地轨道提供了三个轨道类别中最佳的全球覆盖范围，但由于用于定位的额外燃料使用，它们主要用于提供对北纬的额外覆盖，以及倾斜轨道上的卫星外壳。极地轨道也更容易受到辐射效应的影响。卫星排列在圆形平面上，每个平面在地球上方的高度恒定。星座的大小由飞机数量乘以每个平面的卫星数量给出（见图3）。v

进入狮子座星座

一些星座已经发射，或者计划向低地球轨道发射数百颗，在某些情况下是数千颗小型卫星。与GEO链路相比，LEO中的卫星为卫星通信提供了两个明显的优势。首先，由于轨道的高度，信号延迟减少。从地球到LEO卫星的信号路径要短得多（~GEO卫星的1/35），将信号延迟降低一个数量级至~25毫秒，一些人认为这将使LEO卫星通信能够参与5G服务的扩展，其承诺是数据密集型实时服务。第二个优点是单个LEO卫星的数据容量集中在更小的区域，可能为个人用户提供更大的数据带宽 - 取决于星座的整体数据容量。在覆盖区域内，卫星通常会生成多个下行链路波束以连接到许多用户/集线器。这些空间分离的波束允许重复使用分配的频率，这可以避免波束间干扰并优化数据可用性。高通量卫星（HTS和vHTS）也可以提供这种数据集度;然而，地球静止轨道卫星的总体数据容量低于典型的低地球轨道星座。六具有高数据容量的大型星座的一个局限性是，由于许多星座航天器将在海洋或地球上无人居住的地区飞行，因此一次只有一小部分（33%至50%）的总数据容量可供用户使用。

星座大小对成本和任务寿命的影响

由于使用了大规模生产技术，并且由于任务寿命较短和辐射环境较少，可以使用成本较低，非密封，通常是塑料封装的组件，因此建造星座卫星的成本更低。低地球轨道卫星的任务寿命通常为5年至7年，因为低地球轨道的大气阻力增加，维持轨道的燃料使用量增加，而低地球轨道卫星由于尺寸较小，燃料容量有限。低地球轨道卫星的辐射耐受性要求通常较低。例如，总电离剂量 （TID） 的可接受水平七用于低地球轨道卫星的部件的性能可能在30克拉德左右，而地球静止轨道任务通常需要100克拉德，因为其任务寿命更长，辐射暴露更高。

LEO和关键使能技术的挑战

管理流向星座的数据流越来越复杂。数据从地球站通过卫星间链路（ISL）使用无线电或光链路通过星座路由。这是必要的，因为LEO卫星可能并不总是在地球站的视线范围内。

从地球上看，非GEO卫星在天空中移动，而不是GEO卫星的固定位置。这是维持其轨道所需的轨道速度的一个因素。由于大气阻力增加和轨道降低，LEO卫星必须比高轨道的卫星快。为Starlink星座提议的卫星外壳之一位于地球上空550公里处。在该高度，飞行速度为7.5公里/秒，这意味着该外壳中的单个卫星仅对用户可见4.1分钟。地球静止轨道卫星的用户可以使用位于卫星上的固定天线，而低地球轨道卫星服务的用户必须使用能够在低地球轨道卫星穿越天空时跟踪其天线。同样，卫星的天线必须能够在轨道上移动时跟踪地球上的服务区域。MEO中的卫星，如O3b星座，已经使用了机械操纵天线，这可能是因为它们的轨道速度较慢。低地球轨道卫星必须使用某种形式的AESA，因为机械转向系统无法满足跟踪要求。在LEO中需要可操纵光束的同时，对多个光束的一般要求。多个波束允许卫星优化多个数据网关或服务区域的服务和数据吞吐量。LEO应用需要的是能够独立支持多个波束的电子波束控制的天线。一些星座建议每颗卫星最多16个可操纵的用户波束。

这些星座灵活性的关键是采用支持波束控制的天线来维持通信链路 - 无论是主卫星通信/ EO上行链路/下行链路还是辅助跟踪，遥测和控制（TT&C）链路。

AESA 和波束成形

传统的抛物面天线通常具有发射器和接收器的单个馈电，并且指向固定位置或机械转向。电子波束控制阵列天线由多个天线元件组成，其辐射方向图旨在与阵列中相邻元件的辐射方向图进行建设性组合，形成所谓的主瓣——见图4。主瓣沿所需方向传输辐射能量。理想情况下，主瓣将携带所有传输的能量，但由于非理想性，将有一些能量引导到不在所需方向的旁瓣中。天线设计旨在最大化主瓣的能量，同时最小化旁瓣的能量。主瓣可以通过调整天线元件的各个振幅和相位来塑造和转向。现代IC技术可以实现可调增益和相位，可以以微秒为单位进行更新，即使在卫星和机载应用的大型元件阵列上也能提供快速转向。八旁瓣减少对于LEO应用至关重要，因为由于卫星靠近地球，旁瓣可能会造成干扰。

图4.具有一维阵列的波束控制概念。1

AESA 的有限元组件选择

卫星通信系统是频分双工（FDD）系统，其中发射器和接收器以不同的频率工作。这些系统通常具有单独的天线，用于使用分配的频段的上行链路和下行链路。

与航空航天和国防领域的大多数应用一样，尺寸、重量、功耗和成本 （SWaP-C） 是决定系统和子系统中组件选择的重要特征。对于在轨应用，尺寸和重量受到发射能力的限制，更大更重的系统发射成本要高得多。事实上，在大型星座的情况下，每颗卫星都必须符合预定的外形尺寸，这允许从火箭的发射舱发射多颗卫星。此外，由于在轨系统几乎完全依赖太阳能和电池备份系统，因此在选择组件时，功耗是一个关键规格。

对于用于在轨应用的阵列天线设计人员，阵列尺寸和元件间距要求有限元组件（接收天线的LNA;发射天线的驱动器/PA）尽可能小，因为阵列的每个元件都有自己的前端，通常需要多个组件，这些组件必须尽可能靠近元件天线放置，以减少迹线损耗， 这可以直接增加噪声系数。典型的实现方案将采用专用于多个天线元件的波束成形核心芯片，然后每个元件都有自己的FE器件（接收器和驱动器的LNA和/或收发器的PA）。高增益接收天线可以通过串联多个高增益LNA来实现FE，以实现所需的输入增益。在这种情况下，元件尺寸很重要，因为元素间间距会随着频率的提高而减小。对于 Ka 频段接收器（26 GHz 至 28 GHz），对于 λ/2 晶格间距，元件间距为 ~5 mm。保持LEO应用的宽扫描角度决定了阵列元件必须放置在λ/2间距。对于GEO平台上使用的天线阵列，扫描要求并不那么重要（±9），这使得元件最小间距具有更大的灵活性。采用 2 mm × 2 mm 封装的最新 LNA 外形尺寸使管理关键元件放置变得更加容易，许多封装内还包括直流模块和射频扼流圈，以进一步简化布局任务。

在为在轨应用选择放大器时，器件性能至关重要。对于LEO卫星接收天线，噪声系数（以dB为单位的NF）是最重要的，因为它会影响系统噪声系数，这直接影响阵列中所需的元件数量，从而影响天线尺寸。回想一下，低地球轨道卫星比地球静止轨道中的卫星小;因此，容纳天线的空间可能会受到限制。对于典型阵列，需要<2 dB的系统噪声系数，以保持阵列大小可控。将系统噪声系数降低1 dB可使天线元件数量减半，因此LNA NF对系统噪声系数的贡献至关重要。LNA增益也很重要，因为需要高增益来恢复和放大接收信号。通常，部署几级FE LNA以提供足够的增益。尽管大气条件变化，但必须保持通信链路，因此FE器件线性度（通过输出IP3测量）是一个关键规格。虽然接收机信号强度在很大程度上取决于发射地面站，但接收机线性度对于保持最大可能的数据速率（使用复杂的调制方案）非常重要。ADL8142（低功耗Ka波段LNA）等器件可以通过调整功耗（IDQ） 来补偿接收路径的变化。对于发射天线，FE将是一个驱动放大器或PA。同样，线性度对于确保尽可能高的传输速率至关重要，但这里的输出功率（OP1dB）将决定每个天线元件可以贡献的功率量。对于在轨应用，输出放大器的功率附加效率（PAE）很重要，主要有两个原因：（1）由于太阳能电池板（或备用电池）的可用功率有限，以及（2）低效放大器需要更多的冷却来处理非转换功率产生的热量。

ADI卫星通信IC

ADI公司开发了一系列满足一系列应用要求的器件，这些器件采用波束成形，包括卫星通信、民用和军用雷达以及5G通信。特别是对于卫星通信，ADAR3000和ADAR3001分别提供卫星Ka波段发射和接收波束成形。每个器件均具有 4 波束/16 通道波束成形功能，使用可编程时间延迟和衰减。每个都采用紧凑的 BGA 封装。为了补充波束成形IC，有 ADAR5000（4：1威尔金森分路器/合路器）用于波束分配，天线FE选项包括专为Ka频段（23 GHz至31 GHz）在轨应用而设计的ADL8142 LNA。ADL8142采用小型2 mm × 2 mm LFCSP/QFN封装，针对低噪声系数（1.6 dB）、高线性度（20 dBm OIP3）和高增益（27 dB）进行了优化，在仅1.5 V的电压轨下功耗仅为50 mW——有关ADL8142增益和噪声系数的详细信息，请参见图5。ADL8142提供COTS和商用空间版本。在发射端，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线性度，可用作元件驱动器。有关ADL8107增益和输出P1dB的详细信息，请参见图6。

图5.ADL8142—增益（左）和噪声系数（右）与温度的关系与频率的关系。2

图6.ADL8107增益（S21）（左）和P1dB（右）。3

结论

波束成形天线使最新的非GEO卫星星座能够实现其无处不在、灵活和高带宽数据通信的承诺。波束成形天线设计人员可以利用ADI公司提供的信号链组件的灵活产品，从数据转换器到变频器和波束成形器再到FE组件。天线有限元在整个信号链中至关重要，因为它们不仅决定系统的噪声性能，而且还必须符合特定的机械和功耗限制。ADI正在开发一系列高性能器件，如ADL8142 LNA，以满足在轨卫星通信的独特要求。

审核编辑：郭婷