【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製，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於數據的服務（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、采用批量衛星製造技術、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，以及大量私有資本湧現，為這些大型項目提供資金支持。

由於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係統使用AESA，不(bu)僅(jin)能(neng)根(gen)據(ju)預(yu)期(qi)目(mu)標(biao)將(jiang)天(tian)線(xian)信(xin)號(hao)調(tiao)整(zheng)到(dao)正(zheng)確(que)方(fang)向(xiang)
，還(hai)支(zhi)持(chi)多(duo)波(bo)束(shu)，以(yi)便(bian)同(tong)時(shi)為(wei)多(duo)位(wei)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)支(zhi)持(chi)。對(dui)於(yu)組(zu)件(jian)選(xuan)擇(ze)，在(zai)軌(gui)衛(wei)星(xing)有(you)獨(du)特(te)的(de)要(yao)求(qiu)，對(dui)於(yu)將(jiang)天(tian)線(xian)元(yuan)件(jian)連(lian)接(jie)至(zhi)發(fa)射(she)和(he)接(jie)收(shou)信(xin)號(hao)鏈(lian)的(de)FE組件
，其要求尤甚。本文從設計角度出發，詳細探討為這類係統選擇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wei星xing存cun在zai發fa射she成cheng本ben高gao這zhe個ge缺que點dian，但dan它ta也ye有you諸zhu多duo優you點dian，比bi如ru說shuo
，因yin為wei軌gui道dao與yu地di球qiu同tong步bu轉zhuan動dong，所suo以yi它ta們men在zai天tian空kong中zhong的de位wei置zhi是shi固gu定ding的de。這zhe讓rang我wo們men能neng夠gou部bu署shu位wei置zhi固gu定ding的de衛wei星xing天tian線xian和he成cheng本ben相xiang對dui較jiao低di的deVSAT端子，該端子采用拋物麵天線，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麵積（如圖2所示），隻需要三個GEO衛星，就能覆蓋整個地球表麵。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(zhong)的(de)衛(wei)星(xing)
，最(zui)主(zhu)要(yao)是(shi)因(yin)為(wei)通(tong)信(xin)網(wang)絡(luo)在(zai)不(bu)斷(duan)發(fa)展(zhan)。我(wo)們(men)生(sheng)活(huo)在(zai)高(gao)度(du)互(hu)聯(lian)的(de)世(shi)界(jie)，但(dan)實(shi)際(ji)上(shang)，全(quan)球(qiu)有(you)很(hen)大(da)部(bu)分(fen)人(ren)口(kou)都(dou)居(ju)住(zhu)在(zai)互(hu)聯(lian)網(wang)連(lian)接(jie)匱(kui)乏(fa)，甚(shen)至(zhi)是(shi)沒(mei)有(you)網(wang)絡(luo)連(lian)接(jie)的(de)地(di)區(qu)，比(bi)如(ru)說(shuo)
，位(wei)於(yu)赤(chi)道(dao)平(ping)麵(mian)的(de)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。而對於目前已部署互聯網連接的地區，LEO星座能為消費者和B2B提供更高的等同於光纖的數據速率。推薦使用的LEOxingzuodechicunzhongbaohanyixieneizhirongyu，suizhekeyongweixingdeshuliangbuduanzengduo，shiqihuodelewangluodanxingyoushi。duizhengfuhejunshiyonghu，yijishangjielaishuo，zhezhongdanxingyoushifeichangyouyong。zuihou
，qizhizaohefashechengbengengdi，zheyiweizhechuxianxinjishushiyiyushengjiweixingwangluo。

圖1.LEO、MEO和GEO軌道的比較。

圖2.GEO、MEO和LEO的地球表麵覆蓋範圍。

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hun合he使shi用yong傾qing斜xie軌gui道dao和he極ji地di軌gui道dao來lai實shi現xian對dui北bei方fang地di區qu的de最zui佳jia覆fu蓋gai，這zhe是shi因yin為wei傾qing斜xie軌gui道dao隻zhi能neng在zai一yi定ding的de緯wei度du範fan圍wei內nei運yun行xing。極ji地di軌gui道dao是shi這zhe三san種zhong軌gui道dao中zhong全quan球qiu覆fu蓋gai率lv最zui佳jia的de軌gui道dao，但dan是shi，它ta需xu要yao耗hao費fei更geng多duo能neng量liang來lai進jin行xing定ding位wei

，所suo以yi

，一yi般ban與yu傾qing斜xie軌gui道dao中zhong的de衛wei星xing配pei合he使shi用yong

，在zai北bei緯wei範fan圍wei提ti供gong額e外wai的de覆fu蓋gai範fan圍wei。極ji地di軌gui道dao也ye更geng易yi受shou到dao輻fu射she影ying響xiang。衛wei星xing呈cheng環huan狀zhuang排pai列lie，它ta們men距ju離li地di球qiu表biao麵mian的de高gao度du是shi恒heng定ding的de。星xing座zuo的de規gui模mo等deng於yu平ping麵mian的de數shu量liang乘cheng以yi每mei個ge麵mian中zhong的de衛wei星xing數shu量liang（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。第二個優勢在於
，單個LEO衛(wei)星(xing)的(de)數(shu)據(ju)容(rong)量(liang)一(yi)般(ban)都(dou)集(ji)中(zhong)在(zai)更(geng)小(xiao)的(de)區(qu)域(yu)
，因(yin)此(ci)能(neng)為(wei)個(ge)人(ren)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)更(geng)大(da)的(de)數(shu)據(ju)帶(dai)寬(kuan)，具(ju)體(ti)取(qu)決(jue)於(yu)該(gai)星(xing)座(zuo)的(de)整(zheng)體(ti)數(shu)據(ju)容(rong)量(liang)。在(zai)覆(fu)蓋(gai)範(fan)圍(wei)內(nei)，衛(wei)星(xing)一(yi)般(ban)會(hui)生(sheng)成(cheng)多(duo)條(tiao)下(xia)行(xing)鏈(lian)路(lu)波(bo)束(shu)，以(yi)連(lian)接(jie)多(duo)個(ge)用(yong)戶(hu)/集線器。這些在空間中彼此獨立的波束可以重複使用分配的頻率
，由此避免波束之間相互幹擾，並優化數據的可用性。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於典型LEO星座的容量。vi具有高數據容量的大型星座的限製在於，每次提供給用戶的數據容量隻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製造，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，對於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麵臨的挑戰和關鍵的推動技術

現在，管理星座數據流的複雜程度越來越高。我們通過衛星間的鏈路(ISL)（使用射頻鏈路或光學鏈路）將數據從地麵接收站路由傳輸到星座。因為LEO衛星並非始終都在地麵接收站的接收範圍之內，所以這種傳輸非常必要。

從地麵觀察，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。由於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麵550 km。在這個高度，飛行速度為7.5 km/s，這意味著對於用戶來說，這個空間站中單個衛星的可見時間僅為4.1分鍾。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麵服務區域。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，因為機械轉向係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麵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於：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
、遙測和控製(TT&C)鏈路。

AESA和波束成形

傳(chuan)統(tong)的(de)拋(pao)物(wu)形(xing)天(tian)線(xian)一(yi)般(ban)是(shi)為(wei)發(fa)送(song)器(qi)和(he)接(jie)收(shou)器(qi)提(ti)供(gong)單(dan)個(ge)饋(kui)電(dian)，天(tian)線(xian)一(yi)般(ban)指(zhi)向(xiang)固(gu)定(ding)方(fang)向(xiang)，或(huo)者(zhe)可(ke)通(tong)過(guo)機(ji)械(xie)方(fang)式(shi)調(tiao)節(jie)方(fang)向(xiang)。電(dian)子(zi)波(bo)束(shu)轉(zhuan)向(xiang)陣(zhen)列(lie)天(tian)線(xian)由(you)多(duo)個(ge)天(tian)線(xian)元(yuan)件(jian)組(zu)成(cheng)，這(zhe)些(xie)元(yuan)件(jian)的(de)輻(fu)射(she)圖(tu)從(cong)結(jie)構(gou)上(shang)與(yu)陣(zhen)列(lie)中(zhong)的(de)相(xiang)鄰(lin)元(yuan)件(jian)組(zu)合(he)，構(gou)成(cheng)所(suo)謂(wei)的(de)主(zhu)瓣(ban)（參見圖4）。zhubanjiangfushenengliangchuanshuzhisuoxudefangxiang。lixiangqingkuangxia
，zhubanxiedaiyaofashedesuoyounengliang，danyinweiyixiefeilixiangqingkuang，youxienenglianghuifushedaopangban
，yejiushishuo，pianlisuoxudefangxiang。tianxianshejiliqiushizhubanxiedaidenengliangjinkenengduo，pangbanxiedaidenengliangjinkenengshao。womenkeyitongguotiaojietianxianyuanjiandedangezhenfuhexiangweilaitiaojiezhubandexingzhuanghefangxiang。xiandaiIC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旁瓣減少對於LEO應用來說非常關鍵，因為衛星對地的距離很近，旁瓣會導致幹擾。

圖4.一維陣列中的波束轉向概念。1

AESA的FE元件選擇

衛星通信係統屬於頻分雙工(FDD)係統，發送器和接收器采用不同的頻率。這些係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。

與航空航天和防禦領域的大部分應用一樣，尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)是決定在係統和子係統中選用具體元件的關鍵特性。對於在軌應用，尺寸和重量受到發射能力限製，發射的係統更大、更(geng)重(zhong)，發(fa)射(she)成(cheng)本(ben)會(hui)更(geng)高(gao)昂(ang)。事(shi)實(shi)上(shang)，在(zai)大(da)型(xing)星(xing)座(zuo)中(zhong)
，每(mei)顆(ke)衛(wei)星(xing)都(dou)必(bi)須(xu)和(he)預(yu)先(xian)確(que)定(ding)的(de)形(xing)狀(zhuang)一(yi)致(zhi)，以(yi)便(bian)火(huo)箭(jian)的(de)發(fa)射(she)台(tai)發(fa)射(she)多(duo)顆(ke)衛(wei)星(xing)。此(ci)外(wai)，由(you)於(yu)在(zai)軌(gui)係(xi)統(tong)幾(ji)乎(hu)完(wan)全(quan)依(yi)靠(kao)太(tai)陽(yang)能(neng)供(gong)電(dian)
，所(suo)以(yi)在(zai)選(xuan)擇(ze)元(yuan)件(jian)時(shi)
，電(dian)池(chi)備(bei)用(yong)係(xi)統(tong)、功耗都是關鍵的規格參數。

對於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de尺chi寸cun應ying盡jin可ke能neng小xiao
，因yin為wei陣zhen列lie中zhong的de每mei個ge元yuan件jian都dou配pei有you前qian端duan，需xu要yao配pei備bei多duo個ge元yuan件jian，這zhe些xie元yuan件jian必bi須xu盡jin可ke能neng貼tie近jin元yuan件jian天tian線xian，以yi降jiang低di線xian路lu損sun耗hao。線xian路lu損sun耗hao會hui直zhi接jie影ying響xiang到dao噪zao聲sheng係xi數shu。典dian型xing的de實shi施shi方fang案an可ke能neng包bao括kuo一yi個ge波bo束shu成cheng形xing核he心xin芯xin片pian，該gai芯xin片pian對dui接jie多duo個ge天tian線xian元yuan件jian，每mei個ge元yuan件jian都dou采cai用yong自zi己ji的deFE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，對於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平台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，更易於管理關鍵元件布局，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。對於LEO衛星接收器天線，噪聲係數（NF
，單位為dB）是非常關鍵的因素，它會影響係統的噪聲係數，後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，係統噪聲係數必須<2 dB
，才能保持陣列尺寸可控。係統噪聲係數降低1 dB
，天線元件的數量可以減半，所以
，LNA噪聲係數是影響係統噪聲係數的關鍵因素。LNA增益也很重要，因為要恢複和放大接收信號，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麵發射站決定的，但要保持可行的最大數據速率（使用複雜的調製方案），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。對於發射天線，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。對於在軌應用，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用於衛星通信的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係數(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增益和噪聲係數的詳細信息。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）和噪聲係數（右）與溫度和頻率的關係。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，它們不僅決定整個係統的噪聲性能
，還必須符合具體的機械和功耗限製。ADI將開發一係列高性能器件，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是指地球表麵上方約160 km至2000 km的範圍。

ii GEO是指地球表麵上方約35,786 km（22,236英裏）的範圍。

iii MEO介於LEO和GEO之間，例如，O3b位於地球表麵上方8000 km的MEO中。

iv 覆蓋範圍限於南北緯度。

v 除此以外，還有一些額外的備用衛星
，用於實現冗餘。

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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