Ka波段卫星通信趋势和功率放大挑战

对数据不断增长的需求正在推动卫星通信（卫星通信）的强劲增长，特别是在更高频段。但是，许多公司没有专注于较低的频率范围，而是专注于更高频率的Ka-Band，它为互联网接入和5G等应用提供了更多分配的频谱。

由于视频带宽要求增加以及对高线性功率以支持多载波系统的需求，在Ka波段工作给RF功率放大带来了新的挑战。由于半导体技术的进步，GaN PA的性能得到了提高，现在是高功率真空管放大器的有吸引力的替代品。

这篇文章提供了对当前卫星通信趋势和Ka波段功率放大方法的见解。

卫星通信在全球通信中的角色变化

卫星通信设备在世界各地人们的日常生活中发挥着至关重要的作用。它支持电信、天气监测、航空通信、海上和军事用途以及导航方面的各种应用。商业航空中的卫星通信满足了始终与机上连接服务连接的需求。

根据Strategy Analytics的数据，消费者数据流量，5G，大数据和人工智能的爆炸性增长将进一步推动卫星系统和服务的全球扩张，该市场预测市场将以每年5.4%的速度增长，到93年将达到6亿美元以上。

这种增长正在推动整个卫星通信领域的变化，一些公司计划建造庞大的高通量卫星星座来支持需求。

Ka-Band在卫星通信中的领导作用

为了应对不断增长的需求，卫星通信行业已转向更高频段，那里有更多的带宽可用。在Ka波段，3.5 GHz的带宽可用于卫星通信 - 比其他常用频段高出4倍以上。它已被广泛使用，特别是对于上行链路（地球到卫星）连接。

下表描述了卫星通信行业中使用的频段。在Ka-Band中，许多知名用户包括Elon Musk的SpaceX和亚马逊的Project Kuiper等初创公司。这两个组织计划发射数千颗小型卫星，为全球消费者和企业提供高速互联网接入，包括覆盖其他宽带服务无法覆盖的偏远和服务不足的地区。此外，还有其他组织遵循类似的途径来利用卫星通信市场开辟的新收入来源。

由于Ka-Band支持许多收入来源，如固定和移动设备，包括卫星网关，机载和海洋系统以及便携式卫星通信人员包，因此它是可以利用的关键频段。

Ka波段上行链路功率放大挑战

Ka波段传输带来了射频功率放大挑战：卫星通信设备必须能够在宽带宽上以高功率传输，同时保持高线性度。此外，调制方案正在增加，以实现每秒更多的传输数据位。传统上，QPSK调制满足了数据吞吐量与信号噪声的权衡。然而，最近在16至64正交幅度调制（QAM）中对更高调制方案的推动推动了对更高性能线性放大的需求。

传统上，行波管放大器（TWTA）是一种真空管，由于其能够在保持高效率的同时产生高功率，因此一直是卫星通信应用中功率放大的支柱。

氮化镓半导体的进步正在改变这一趋势。这部分是由于RF性能的改进，尽管与电子管放大器相比，它也归因于鲁棒性和可靠性。固态功率放大器客户将许多最新的GaN功率放大器组合在一起，以实现100W +的RF输出功率，使GaN成为替代TWTA的有吸引力的替代品。

下图显示了使用GaN PA的典型卫星通信RF配置。

LEO和相控阵

GaN PA还与卫星通信架构的重大变化非常匹配：从单天线到多天线相控阵的转变。这种变化正在卫星和地面终端内发生。

一些最雄心勃勃的新应用在低地球轨道（LEO）中使用数千颗卫星 - 距离地球表面100-500英里 - 比大多数传统卫星更接近地球。见下图。LEO 的一大优势是延迟较低——往返大约 20 毫秒——这对于互联网接入等应用至关重要。

LEO卫星绕地球运行的速度比高轨道卫星快得多 - 从地平线到地平线仅需15分钟。为了与这些卫星保持持续的通信联系，地面设备必须在它们在天空中放大时跟踪它们。

这带来了新的挑战。传统上，基于地球的卫星通信设备使用机械操纵天线来跟踪卫星。但这种方法对LEO卫星来说并不实用，因为系统每15分钟必须从地平线扫到地平线，可能会磨损;支持非常大的LEO星座所需的设备的维护和保养可能会破坏银行。

电控相控阵避免了这个问题，因为它们消除了跟踪卫星的机械运动的需要。相反，这些相控阵系统有许多小天线，可以通过调整阵列内各个天线的相位来连续改变信号的方向。

虽然基于单个TWTA的设计非常适合高功率单天线系统，但基于GaN PA的设计是多天线相控阵的自然匹配。GaN还可以构建成本更低、重量更轻、更紧凑的系统。

设计未来：更高的线性功率、更高的频率和更大的带宽

展望未来，卫星通信架构正处于变革状态。在更宽的带宽上更高的线性功率是Ku/K/Ka波段的当前轨迹。系统运营商的频率甚至更高，达到V波段（40-75 GHz），其带宽甚至大于Ka波段。由于Ka-Band曾经是卫星通信的前沿，它现在是一个成熟而强大的细分市场，拥有许多运营商和设备供应商。V波段被视为卫星通信的新前沿。随着我们在整个卫星行业看到的持续创新，V波段从采用到成熟的持续时间可能比任何人预期的都要快。预计GaN也将在这个更高频率的市场中发挥作用。

Qorvo GaN 技术正在迅速发展，以应对卫星通信市场的需求。连续几代氮化镓提供不断增加的线性功率输出，提高效率，使设备制造商能够将氮化镓PA用于传统上需要TWTA的更高功率应用。每个GaN PA不断增长的功率能力也意味着设备制造商可以用更少的GaN器件构建放大器，从而提供低成本的解决方案来提供所需的功率。功能更强大的设备有助于使系统更小、更易于构建且更可靠。

审核编辑：郭婷