相控阵天线应用与关键芯片分析 发布时间:2024/09/10 卫星系统是传输定位导航信号、天气信息、电视广播、语音数据的高效手段,并广泛应用于成像和科学研究。根据轨道高度,卫星系统可分为地球同步轨道 (GEO) 系统、中地球轨道 (MEO) 系统和低地球轨道 (LEO) 系统。其中,LEO卫星系统运行在距离地球表面500至2000公里的轨道上,凭借低延迟和高速传输的优势,在卫星通信应用中展现出更高的价值,逐渐成为具有技术竞争力的商业解决方案。近年来,围绕提供高速互联网连接的LEO卫星星座计划蓬勃发展,成为未来全球互联通信网络的关键组成部分。低轨卫星通信系统主要由三部分组成:终端设备、地面站和卫星星座。终端设备是用户与卫星之间的直接通信工具,可分为固定终端和移动终端。地面站负责系统的控制和数据支持。卫星群则被称为星座,绕地球运行,提供连接终端与网关的通信链路。 图 1 卫星通信系统 卫星通信系统围绕地球近地轨道的工作模式,对卫星通信系统的性能也提出新的要求:卫星载荷系统在高速轨道上运行,需随时调整星座位置,以适应地面覆盖角度的持续变化;覆盖区域广且用户数量众多,需灵活动态地配置业务资源;空间链路损耗较大,必须增强发射信号的能量以满足低轨卫星的覆盖需求;载荷工作单元需在提供高性能服务的同时,实现小型化和低功耗。这些新需求对卫星通信解决方案提出了严苛的技术要求。研究表明,相控阵天线是应对这些挑战的关键技术,能够有效提升卫星通信系统的性能,带来多项显著优势:实现快速、灵活的定向扫描;聚焦指定方向的信号能量增强;有效实现空分多波束,提升数据容量;提供强大的抗干扰能力,提升通信的可靠性与安全性;实现系统轻量化、低功耗和低成本。 图 2 波束赋形基本原理 相控阵天线通过辐射单元阵列实现高度定向的波束辐射,使电磁波能量更聚焦。通过增加移相器,可以调整每个天线单元的信号相位,进而通过阵列信号合成来控制波束的方向;增加衰减控制单元则可以调节信号幅度,优化信号强度和波束形状。通过对每个辐射单元的相位和幅度进行精确调整,相控阵天线能够实现灵活、可靠的波束方向扫描。 图 3 移相和衰减器单元结构 相控阵天线中的波束控制芯片,也常称为幅相芯片,是相控阵应用中的核心芯片。幅相芯片通常集成了移相器、衰减器、功率放大器、低噪声放大器和射频开关等关键模块。高度集成使其能够满足卫星通信对相控阵天线的技术要求:通过多位数字移相单元实现高精度的相位调整,确保波束精准对准目标方向。芯片支持宽频带操作,以适应低轨卫星通信的标准和频率要求。由于相控阵系统常用于移动设备和长时间运行场景,幅相芯片必须具备低功耗设计,以延长电池寿命并减少热量生成。芯片具备高功率输出和低噪声特性,以提升信号质量和系统总体性能。为支持动态波束赋形和实时调整,芯片具备快速响应能力,能够在极短时间内完成相位和增益的调整。为了减少体积和成本,芯片具有高度集成的设计,将相位控制、增益调整和功率放大等功能集成于一体。芯片在各种工作环境下保持稳定,具备抗干扰能力和长期可靠性,以确保系统持续高效运行。相控阵天线中的幅相芯片对芯片工艺有较高要求,不同工艺各具优缺点。典型的射频芯片工艺包括GaAs、SiGe、CMOS和SOI。在选择幅相芯片的工艺时,需要综合考虑性能、成本、应用领域以及未来的发展趋势,并结合具体的整机设计进行权衡。白盒子已成功研发多款相控阵幅相芯片,覆盖卫星应用的多个领域,具备高精度的移相和衰减能力、超低功耗等优势,能够满足卫星通信系统对精确波束控制和能效的严格要求。白盒子相控阵幅相芯片均采用自主可控的芯片工艺,不仅为卫星通信和毫米波应用领域的客户提供了强有力的技术支持,还助力客户开发出低成本、高性能的相控阵天线解决方案,推动行业技术革新与应用落地。今后,白盒子将继续致力于引领技术前沿,推动通信技术的广泛应用与发展,为构建更加高效、智能的未来通信网络贡献力量。 关于白盒子微电子白盒子(上海)微电子科技有限公司,是在上海市政府大力支持下,由IC行业资深人士领军组建的芯片设计公司,总部位于上海,在西安、成都设立研发中心。公司致力于SDH(软件定义硬件)先进芯片设计技术研究,目标是通过架构创新,成为天地一体、全场景、全链路的核心通信套片供应商。