RFIC在高容量、低延遲LEO衛(wèi)星用戶和地面終端方面的進步

本文介紹了推動低地球軌道（LEO）衛(wèi)星部署的主要市場趨勢。它將討論LEO衛(wèi)星系統的基本操作，并介紹一些半導體RFIC的進步，這些進展使下一代Ku和Ka波段LEO用戶和地面終端成為可能。

LEO連接——成功之路

衛(wèi)星通信 （satcom） 是一種傳輸語音、視頻和數據的既定手段，用于在稱為地球靜止赤道軌道 （GEO）、中地球軌道 （MEO） 和 LEO 的主流軌道上的各種用例中。衛(wèi)星通信被視為通信GPS的有效手段，用于導航，天氣信息，電視廣播，語音，數據，也用于成像和基于科學的應用。然而，圍繞LEO衛(wèi)星星座計劃新一波承諾的高速互聯網連接。這將為下一代互聯網通信提供低延遲、高容量的寬帶連接。

LEO衛(wèi)星將在5G蜂窩連接的持續(xù)推出中發(fā)揮重要作用。衛(wèi)星網絡越來越多地參與3GPP標準化，它們在未來網絡中的預期作用正在開發(fā)中。2017年，3GPP標準機構內啟動了活動，以了解衛(wèi)星通信網絡在5G連接中的可行性。通過 3GPP 標準的第 15、16、17 和 18 版，開發(fā)了多項活動來支持這些網絡的集成。LEO衛(wèi)星可以為服務不足的地區(qū)提供廣域覆蓋，為移動中的人們提供服務的連續(xù)性，連接到機器對機器（M2M）/物聯網（IoT）設備，并以具有成本效益的方式成為5G的顯著升級路徑。

下一代LEO系統將在地球表面上方500公里至2000公里的軌道上運行，并將為過去的衛(wèi)星網絡提供技術上優(yōu)越的解決方案。如此接近地球意味著它們將提供更低的延遲連接，這對于消費者或商業(yè)用例（例如，互聯網游戲或實時控制工業(yè)/醫(yī)療設備）非常重要。低地球軌道衛(wèi)星應提供大約50毫秒的延遲（下一代技術將改善到《20毫秒），而GEO則為700毫秒。

低地球軌道衛(wèi)星的一個關鍵推動因素是，由于軌道較低，它們的輻射暴露要低得多。這很重要，因為這意味著可以放寬昂貴且有時令人望而卻步的抗輻射測試。這將產生規(guī)模經濟，因為建造低地球軌道衛(wèi)星的成本現在大大降低。更少的輻射意味著半導體工藝的更廣泛可用性，因此意味著可以使用的組件。

鑒于軌道較低，預計部署的衛(wèi)星數量要多得多。此類衛(wèi)星的平均壽命將比以前的用例短得多;也許在 5 到 8 年之間，之后這些衛(wèi)星將脫離軌道并需要更換。低地球軌道衛(wèi)星必須具有成本效益才能發(fā)射和重新發(fā)射替代品。

所有這些趨勢都引起了行業(yè)監(jiān)管機構的注意，因為LEO寬帶連接業(yè)務案例開始看起來很強勁。如果我們還記得在 1990 年代，這家互聯網企業(yè)是幾家公司的目標，但不幸的是，由于部署成本高和需求有限，它失敗了?？爝M到今天，我們看到半導體技術的顯著進步提供了前所未有的性能和集成度。再加上在更多農村或服務不足的環(huán)境中對高速、低延遲互聯網連接的指數級需求，以及將衛(wèi)星通信集成到 5G 標準中，未來的 LEO 星座將處于一個更好的成功平臺上。

在撰寫本文時，預計用戶可以實現 100 Mbps 的最大下行鏈路數據速度，未來可能會擴展到 150 Mbps，這是多用戶、全時視頻流的理想選擇。

LEO面臨的一個挑戰(zhàn)是衛(wèi)星的不斷移動性質 - 星座確實需要完全部署才能成為最小可行的服務。這意味著初始支出很高，因為低地球軌道衛(wèi)星的數量更多，因為它們的軌道較低。但即便如此，這似乎并不是現在成功的障礙，對投資者來說，無處不在的覆蓋的商業(yè)案例是強有力的。

低地球軌道衛(wèi)星系統如何工作？

LEO衛(wèi)星通信系統由三個主要組件組成，如圖1所示。

用戶終端/用戶設備 （UE）

這些是用戶和衛(wèi)星之間的直接鏈接，并且往往是低成本的，易于設置的終端位于家庭中，但也可以是移動終端（例如，海事，移動中的衛(wèi)星通信，戰(zhàn)術便攜式無線電）。用戶終端利用高水平的 IC 集成來簡化物料清單 （BOM）、降低成本并保持較小的外形尺寸。

地面站/網關

這些是通常通過光纖連接到服務器（互聯網連接的數據中心）的地面連接，它們將衛(wèi)星連接到地面。它們部署在地球上的固定位置。

衛(wèi)星

衛(wèi)星群稱為星座，它們繞地球運行，同時提供連接終端和網關的鏈接。

LEO衛(wèi)星在太空中移動，通常一顆衛(wèi)星將在90分鐘到110分鐘的時間內繞地球運行，稱為軌道周期。因此，連接到衛(wèi)星的用戶只會在該衛(wèi)星的范圍內停留很短的時間（最多 20 分鐘）。因此，普通用戶在正常運行期間將連接到多顆衛(wèi)星。因此，必須將系統的用戶移交給進入范圍的其他衛(wèi)星，其方式類似于人在行駛中的汽車中使用手機和蜂窩網絡中的一個基站移交給另一個基站。這對如何控制波束以保持與最合適衛(wèi)星的最佳鏈接提出了嚴格的要求。

另一個有趣的演變是衛(wèi)星系統在超出地面站范圍時如何保持運行。在圖1中，我們展示了一些可能影響地面站鏈路速度的惡劣天氣。傳統上，衛(wèi)星使用彎曲的管道，這意味著衛(wèi)星必須始終找到與地球或其他方式（飛機）的鏈接路徑，以作為返回太空中另一顆衛(wèi)星的跳躍，然后可以在地面站的范圍內。一種新技術是通過衛(wèi)星間鏈路，在空間中使用光學或V和E波段連接來連接衛(wèi)星。

用戶終端上/下變頻器的進步

用戶終端正在推動IC集成的顯著提高，ADI公司正在利用硅工藝技術的性能和集成能力來滿足這一需求。這些解決方案需要最高水平的IC集成度，以實現最小外形的無線電終端，同時保持最低的功耗并嚴格遵守每個無線電的最佳成本。

上/下變頻器（UDC）是用戶終端中的基礎產品，它們將調制解調器IF或基帶信息直接連接到Ku頻段或Ka頻段。

RFIC UDC 的頻率覆蓋目標是：

Ku 頻段：~10.7 GHz 至 ~14.5 GHz

下行鏈路（衛(wèi)星到地面）：10.7 GHz 至 12.7 GHz

上行鏈路（地面到衛(wèi)星）：14 GHz 至 14.5 GHz

Ka 頻段：~18 GHz 至 ~31 GHz

下行鏈路（衛(wèi)星到地面）：17.7 GHz 至 21 GHz

上行鏈路（地面到衛(wèi)星）：27 GHz 至 31 GHz

下行鏈路和上行鏈路的頻率是分開的，因此從衛(wèi)星到用戶終端的通信使用兩個獨立的頻段。因此，RFIC公司必須為每個用戶終端設計單獨的頻段上下轉換器。

根據上行鏈路與下行鏈路的不同，用戶終端鏈路通常覆蓋 125 MHz 至 250 MHz 的信道帶寬 （BW），網關覆蓋 250 MHz 至 500 MHz。但是，某些部署在用戶和網關鏈路之間具有共享帶寬功能，因此信道帶寬可以在其運行的頻率中重新配置。

低地球軌道衛(wèi)星不斷移動，如圖1所示。因此，端子內的上/下變頻器頻率合成器必須實現快速鎖定時間，以實現不間斷連接。頻率合成器用于輔助頻率上變頻和下變頻。它們在使終端能夠在運行期間連接和重新連接到不同的衛(wèi)星方面發(fā)揮著至關重要的作用，因為空中頻率在從一顆衛(wèi)星到另一顆衛(wèi)星的操作頻段（即Ka和Ku頻段）內不斷變化。

ADI開發(fā)了一系列針對用戶終端的Ku和Ka頻段UDC，以解決尺寸、重量、面積、功耗和成本（SWaP-C）問題。這些UDC包含廣泛的RF和IF信號調理，例如濾波器、放大器、衰減器、PLLVCO和功率檢測。所有IC的設計都考慮到了用戶終端的信號鏈性能。ADMV4630/ADMV4640是Ku頻段UDC，支持衛(wèi)星調制解調器的IF接口，如圖2和圖3所示，IC性能亮點如表所示。

圖2.高度集成的Ku頻段上變頻器，帶有直接來自衛(wèi)星通信調制解調器的IF接口。

圖3.高度集成的Ku頻段下變頻器，具有直接與衛(wèi)星通信調制解調器的IF接口。

針對更高頻率的Ka頻段，ADI開發(fā)了ADMV4530/ADMV4540 UDC（圖4和圖5），支持需要I/Q基帶接口的衛(wèi)星通信調制解調器。請注意，ADMV4530上變頻器是一款雙模器件，也可支持IF接口。這些解決方案采用硅設計，可提供最高水平的集成度，以管理這些大批量終端應用中的集成壓力。

圖4.高度集成的Ka頻段上變頻器，具有直接來自衛(wèi)星通信調制解調器的I/Q和IF接口。

圖5.高度集成的Ka頻段下變頻器，具有直接連接到衛(wèi)星通信調制解調器的I/Q接口。

更高性能的終端 UDC

終端市場中的一些應用是性能驅動的，對其尺寸和最低成本設計目標的限制較少。他們可以自由使用離散的RFIC解決方案。將元件保存在單獨的封裝中，可以混合使用包括MESFET、pHEMT、BiCMOS和CMOS IC在內的工藝技術，以優(yōu)化任何設計要求。分立式設計允許多種類型的性能與尺寸權衡，從而在設計過程中提供最大的靈活性。設計人員可以創(chuàng)建更高性能的無線電，提供更高的輸出功率并支持更寬的帶寬。此外，還可以實現更高的接收器靈敏度，以改善動態(tài)范圍和雜散性能。應該注意的是，地面站/網關也屬于此類解決方案。網關的尺寸更大，當然不是由終端級別的相同集成需求驅動的。網關利用不同的工藝技術為市場帶來性能最優(yōu)化的解決方案。在ADI，我們將繼續(xù)擴展分立式解決方案產品組合，以應對各種用例。圖6所示為分立式高性能解決方案。

圖6.分立式HMC798A Ka頻段用戶終端的功能圖。

使用電子可控天線降低用戶終端的成本

公司正致力于通過消除傳統上與安裝設備并定位衛(wèi)星位置的專業(yè)承包商相關的昂貴安裝成本來降低用戶終端的部署成本。這是通過將天線與在單個室外機（ODU）中處理通信鏈路所需的所有電子設備（例如移相元件，RFIC UDC）相結合來實現的。ODU是駐留在家庭外部并瞄準天空的天線陣列。室內機（IDU）連接到ODU，并用作傳統路由器（有線或無線），為用戶提供互聯網連接（例如，PC或電話）。

如前所述，LEO星座將有許多衛(wèi)星進出地面終端視野，因此使用電子可控天線（ESA）的效率要高得多，因為它可以通過電子方式引導發(fā)射和接收能量束來實現高方向性衛(wèi)星的方向。因此，當衛(wèi)星進出用戶終端的視野時，通過衛(wèi)星之間的近乎瞬時的切換，保持從一顆衛(wèi)星到另一顆衛(wèi)星的最佳鏈路。事實上，當您想到軌道周期和在正常運行過程中需要連接的衛(wèi)星數量時，ESA幾乎是一項要求。

為了應對這一挑戰(zhàn)，ADI開發(fā)了Ku波段波束形成集成電路（BFIC）技術。ADMV4680是一款專為用戶終端設計的硅解決方案，允許半雙工通道獨立控制信號的增益和相位。值得注意的是，該IC的尺寸僅為8.2 mm2如圖7所示。

開發(fā)BFIC技術以最大限度地降低整體無線電成本的核心是系統和陣列專業(yè)知識。機械裝配和PCB設計（包括堆疊和層數）是無線電成本驅動因素的一部分。當BFIC的開發(fā)考慮了機械和PCB設計時，將產生最低的總體無線電成本。在ADI，我們與客戶密切合作，并擁有內部PCB專家來幫助您。事實上，IC設計和最終配置是系統權衡研究的一部分。

圖7.高度集成的半雙工 Ku 波段 4 通道波束成形 IC。

采用ESA跟蹤LEO衛(wèi)星并優(yōu)化鏈路速度可實現低成本設置，通常這些設置是即插即用的。ESA和向更集成的ODU的遷移從根本上簡化了部署并降低了系統成本。ESA還實現了更扁平的面板和美觀的設計。

值得注意的是，在最高性能終端應用中，使用雙拋物面轉向天線。在這些情況下，成本和美學不是主要驅動因素，整體性能是重點。當涉及到消費者和注重成本的小型企業(yè)解決方案時，ESA是迄今為止實現最低無線電成本同時滿足系統設計目標的最佳方式。

結論

LEO互聯網連接是一個令人興奮的新領域，當今大多數政府和互聯網提供商都在考慮太空競賽。隨著世界繼續(xù)變得更加互聯，LEO將通過進一步加強3GPP標準從太空到農村地區(qū)的連接，在5G中發(fā)揮重要作用。用戶終端上的RFIC集成要求變得越來越具有挑戰(zhàn)性，ADI公司將繼續(xù)開發(fā)該領域的解決方案和路線圖IC。