Qorvo助力实现大规模商业化的卫星通信

连接需求无处不在，卫星通信行业也随之迅速扩张。许多公司纷纷开发先进的系统，并部署在地球同步轨道(GEO)、低地球轨道(LEO)和中地球轨道(MEO)中。这一发展将满足不同的连接需求，也必将大幅改变全球通信现状。

不断发展的卫星市场

地球同步轨道(GEO)系统

无处不在的连接需求持续攀升，卫星通信行业即将迎来爆炸式增长，多个大容量卫星系统已在轨运行或计划在不远的未来进入轨道运行。在轨的地球同步轨道系统有ViaSat-1和ViaSat-2，容量分别为140GBPS和300GBPS。ViaSat-3卫星也已于近期公布，将提供1TBPS的数据容量，这颗卫星的数据容量将超过全球其他GEO卫星的容量总和。其他的GEO卫星包括Jupiter-1/Echostar-17和Jupiter-2/Echostar-19，容量分别为100GBPS和220GBPS，而2023年7月发射的Jupiter-3/Echostar-27的容量为500GBPS。

低地球轨道(LEO)系统

除了GEO卫星，其他卫星也为航空行业贡献了巨大容量。目前，Telesat、OneWeb、SpaceX、Iridium和LeoSat等多个低地球轨道卫星系统已进入设计阶段。这些系统组成的星座将环绕着地球，同时能够覆盖地球上以前未接收过卫星服务的地区。这些星座的规模从数百颗到数千颗卫星不等，总容量将十分可观。最近，SpaceX/Starlink获得美国联邦通信委员会(FCC)批准，除了已获批的4,000颗卫星，还将发射另外7,000颗互联网传输卫星。这将使他们的星座总数达到12,000颗卫星。除这些低地球轨道卫星外，OneWeb星座计划再增加约600颗卫星。Telesat将运行292颗LEO卫星，并有可能增加至512颗LEO卫星。其他公司的规划类似，也将发射更多卫星。这些LEO卫星系统将为个人用户提供全球互联网宽带服务。这些卫星运营公司计划为数百万目前无法接入宽带的潜在偏远用户提供宽带接入服务。

中地球轨道(MEO)系统

在中地球轨道系统，人们可以看到O3b(O3b mPOWER是SES所有并负责运行的通信卫星系统)正在扩大其纬度50度赤道轨道卫星群，从16颗增加至42颗，新卫星将部署在倾斜轨道上，为南北两极提供服务。最新发射的7颗卫星将单独提供10TBPS的总数据容量。

LEO、MEO和GEO系统的优缺点

这三种不同的轨道卫星系统将全面覆盖我们的日常需求。每个轨道系统各有优缺点，同时又作为一个整体工作。地球同步轨道弧线距离地球最远，位于赤道正上方约35,800公里处，位置相对于地球固定，只需少量卫星即可覆盖较大地理区域，这是其优势所在。然而，距离越远，延迟时间越长，对于GEO而言，延迟时间约为600 到800毫秒。毋庸置疑，该技术非常适合用于电视、无线电、气象通信和广播服务。

相比之下，低地球轨道卫星的轨道与地球相距500公里至1,500公里。这些卫星的体积较小，制造和发射成本也较低，而生命周期较短，因此实现全球覆盖需要许多这样的卫星。由于距离地球较近，这些卫星的移动速度更快，因此需要更多的卫星才能覆盖整个地球。LEO卫星常常在海洋上空运行，因此效率较低，但它们确实能为远离海岸的船舶提供更好的通信覆盖。相较于GEO系统，与LEO/MEO卫星的通信往往更为复杂，因为地面站需要跟踪多颗卫星，并在多颗卫星之间切换。与GEO卫星相比，LEO卫星的另一大优势是延迟。后者的延迟显著缩短，介于30至50毫秒之间，因此更适用于游戏、视频流传输、音频和快速互联网通信等应用。

MEO卫星的轨道位于地球上空约5,000至12,000公里，延迟为125 至250毫秒，因而非常适合用于全球定位系统(GPS)应用以及可以承受适度传播延迟的服务。

如此巨大的容量将产生数量空前的用户终端，其中大多数终端必须具备可转向天线技术。卫星或卫星终端在运行时离不开可转向天线。因此，LEO和MEO系统需借助可转向天线来满足固定用户和移动用户的需求。同样，GEO系统需要可转向天线来满足移动用户或自动指向应用的需求。对于后者，天线波束可自动指向GEO卫星，从而获得非常高的吞吐量性能。

传统上，在下行链路，全球大容量卫星常用频段为10.7-12.75GHz或17.7-20.2GHz;而在上行链路，常用频段为13.75-14.5GHz和 27.5-30.0GHz。若要充分利用正在部署的大量航天资源，卫星行业应如何大规模生产具有可转向波束的高频有源天线?高性能、小尺寸、仅需使用二维制造方法且尺寸可扩展的天线是关键，以便满足各种用例需求，包括大型高吞吐量终端和较小低吞吐量终端。

电扫有源相控阵天线在卫星通信中的应用

相控阵天线可以解决许多类似挑战。相控阵天线是一个由不同相位和振幅信息组成的辐射元件阵列，利用不同的相位和振幅上形成波束指向特定方向。因此，波束以电子方式扫描，无需移动部件。由于不需要笨重的机械万向架，所以这类天线更小、更可靠，维护成本更低。

任何无线电系统要想获得最高性能，功率放大器和低噪声放大器都必须尽可能地靠近天线，以尽量减少前端馈电损耗。在相控阵天线中，需要为辐射元件提供发射端/接收端+波束控制功能。阵列中辐射元件(晶格)之间的距离通常为半个波长，因此相控阵天线电子器件的实际可用空间相当有限，特别是在波长非常短的较高频率下。硅技术是少数能够提供所需射频、模拟和数字功能充分集成的单片技术。幸运的是，根据摩尔定律，硅已经发展到阵列中不再需要GaAs等III-V族半导体元件，这大大节省了成本并简化了结构。

平面相控阵的典型结构使用多层印刷电路板(PCB)，其中PCB一侧是用金属印刷的天线元件，另一侧则是硅控制电子器件。PCB的内层提供波束成形网络、直流电压和控制信号路由。借助这种结构，制造商可使用贴片机和红外回流焊进行简单的表面贴装。要想获得出色的性能，就要在匹配、损耗和功率方面优化整体布局。Qorvo的产品旨在以最低的电路板成本和复杂性实现优化布局。

平面相控阵天线的尺寸可扩展，可使用较大的天线以支持品质因素 (G/T)或有效全向辐射功率(EIRP)更高的应用，或者可使用较小的天线以支持G/T或EIRP较低的应用。无论天线阵列的尺寸如何，位于天线晶格内的硅基IC发生阶跃，并在整个阵列中重复。

Qorvo IC助力实现下一代有源相控阵平板

Qorvo的第二代卫星通信IC专为本文所述的大批量、低成本相控阵终端设计。这些器件经过巧妙设计，可用于覆盖全球卫星通信Ku、K和Ka频段的FDD(频分双工)操作。该系列中的每一款IC都支持四个具有完整极化灵活性的双极化辐射元件。每个信道可单独控制相位和增益，以实现极大的灵活性。通过每个元件的增益控制，客户还可以调整每个元件的增益，以达到所需的旁瓣电平。此外，每个发射端元件上提供带有ADC(模数转换器)的功率检测器电路，用于估测发射输出功率。这些IC采用1.2V单电源供电，提供高增益、低噪声和出色的直流效率。其他功能包括温度增益补偿、温度报告和阵列零点校准。所有这些功能集成在4.4x3.6mm的WLCSP小型封装中，可轻松安装到平面相控阵天线中。

Qorvo的零校准(ZERO-CAL)技术无需校准阵列，从而缩短客户的测试时间，并降低复杂性和成本。这些IC还提供快速波束控制，以便在移动环境中实现快速角度跟踪并在LEO/MEO卫星之间快速切换波束。温度补偿设计允许在-40摄氏度至+85摄氏度温度范围内实现恒定的增益性能。最后，该系列IC可向主机系统提供遥测数据，支持系统运营商进行主动维护，减少昂贵的出车维修成本。

Qorvo的卫星通信IC采用300mm CMOS硅片，兼具高性能与低成本，从而让用于卫星通信的有源电子扫描天线真正实现商业化。

结论

Qorvo在各个5G毫米波、卫星通信和雷达频段提供IC，从而确保为真正的低成本、高性能平板解决方案带来更大规模经济效应。凭借 Ku波段和K/Ka波段第二代卫星通信IC，Qorvo为LEO、MEO和 GEO卫星通信地面终端和移动卫星应用中的大规模商业部署树立了高性能、低成本平板天线的标杆。