同样是卫星通信，为什么低轨卫星搭载多波束相控阵？

各位射频从业者、卫星通信与半导体芯片领域的同行电子专业在校学生们以及所有对低轨卫星满怀好奇、有志入行的小伙伴们大家好。我是鲸鹏芯海的謓泽。鲸鹏的系列内容《唠透低轨卫星相控阵芯片十件事》第二篇正式更新上一篇为本系列开篇前言。本文依旧摒弃艰深枯燥的专业理论用通俗直白的语言层层拆解行业干货扫清认知壁垒带你轻松读懂相控阵芯片核心要点。一、先搞清楚低轨卫星到底有多快在搞清楚这个问题之前不妨让我们先抛出一个疑问卫星飞行速度远比子弹快地面天线该如何持续对准并跟踪高速移动的卫星首先需要说明低轨卫星LEO运行轨道高度大多在 4001200 公里。很多人对这个数值缺乏直观概念不妨让鲸鹏做个对比民航客机巡航高度约 10 公里低轨卫星轨道高度相当于客机 40 至 120 倍。这个距离看似遥远但以航天的尺度衡量已经属于近距离的 低空飞行。因为轨道低它必须飞得极快才能够不掉下来 — 大约每秒 7 到 8 公里。绕地球一圈需要 90 到 110 分钟。那么此时有人就会刨根问底问鲸鹏为什么轨道低它低轨卫星必须飞得极快才不会掉下来呢原因很简单轨道越低受到的地球引力越强卫星必须拥有极高速度才能避免被引力拉扯坠落。站在地面天线的角度一颗低轨卫星从地平线出现掠过头顶再落下整个过程只有十到二十分钟。这还只是能看见卫星的理想状态要是追求稳定的通信效果真正能用的时间还要更少。那么低轨卫星通信的本质是什么答案其实已经不言而喻。二、老式 大锅盖为什么追不上那么这时很多同学就会好奇传统卫星天线长什么样其实大家多半在楼顶或是乡村见过一个巨大圆盘安装在配有电机与齿轮的旋转平台上缓缓转动。这就是机械跟踪天线。这种天线配合老式通信卫星使用还算合适。老式卫星距离地面三万六千公里在空中位置几乎不变。天线只要对准一次之后就不用反复调转方向。老式卫星 地球同步轨道卫星GEO悬在天上不动机械圆盘天线锁定方向后不用持续转动跟踪。但低轨卫星不行。低轨卫星在天上嗖嗖地跑天线也得跟着嗖嗖地转。可机械结构有惯量物体抗拒改变运动状态的天性想让它转得快不能瞬间到位想停也不能瞬间刹住— 它不能瞬间从静止加速到高速也不能瞬间停下来。还有一个更为重要的问题很多人很容易下意识忽视磨损。低轨星座动辄几百上千颗卫星天线要 24 小时不间断地切换、跟踪、再切换。机械部件在这种高频次运转下齿轮磨损、电机老化是迟早的事。天上卫星越来越多地上天线却越转越慢 — 这账算不过来无法匹配逻辑矛盾商业模式 / 工程方案行不通更要命的是不少低轨卫星的应用场景例如机载、车载以及单兵背包搭载根本放不下配备转台的大型碟形天线。我们需要的是扁平、轻便且无需转动的设备。三、相控阵不转也能追这就是相控阵天线的出场理由。相控阵Phased Array听起来唬人拆开来看其实很直观这个电子扫描的速度有多快波束方向的调整可以在微秒到毫秒量级完成。对比机械天线 — 转台从接到指令、电机启动、转到目标角度、再稳定下来 — 几百毫秒算快的秒级也不奇怪。对于一颗只有仅十分钟窗口的低轨卫星每一毫秒都是真金白银的通信时间。四、不止是快相控阵还能一心多用相控阵还有一个机械天线做不到的本事同时打多束波。什么意思一个相控阵面板可以同时形成多个独立的波束分别指向不同的卫星、覆盖不同的区域。这在低轨星座里有多重要一颗卫星飞过你头顶地面上可能有成千上万个终端同时想连它。如果天线一次只能服务一个用户其他人就得排队。而多波束意味着卫星可以同时接多个终端、同时覆盖多个区域频谱利用率和并发能力直接上了一个台阶。五、诚实地说一句相控阵并非万能药写到这里可能会让大家产生一种 相控阵碾压一切 的印象。但技术选型从来不存在万能方案。但在部分场景下机械天线与反射面天线依然拥有不俗的竞争力GEO 地球静止轨道卫星轨道高度35786 km位于赤道上空轨道周期 ≈ 地球自转周期24 小时。地面观测视角下卫星位置保持固定。LEO 低地球轨道卫星轨道高度2002000 km轨道周期90120 分钟卫星高速环绕地球运行位置持续变化。因此更为准确的表述为在需要快速跟踪、频繁切换、低剖面部署、多波束覆盖的场景中例如低轨卫星通信相控阵具备更为显著的综合优势。六、我们在这条路上做了什么相信大家已经对相关内容有所了解。接下来和大家聊聊鲸鹏芯海的实际落地方向。鲸鹏芯海正在布局 Ku、Ka 以及更高毫米波频段的相控阵芯片与系统方案研发重点围绕三大核心方向多波束、可扩展、全数字相控阵收发系统。上述技术正是为满足低轨卫星通信的核心刚需而研发分别对应快速波束扫描、动态波束配置与高精度波束控制。关于 波束切换延迟、指向精度、覆盖频段 这些具体数字不同的产品型号、测试条件、天线阵列设计、校准算法都会影响最终结果。各项具体指标均以产品数据手册与实测报告为准这一原则适用于各行各业至关重要。我们鲸鹏也正围绕这些方向开展专利布局。说实话相控阵并非一项 研发出来就万事大吉 的技术。从芯片到天线阵列从校准算法到系统集成每个环节都考验着工程实力。可供选择的捷径寥寥无几但值得深耕的道路十分漫长。打个比方电机运转受物理惯性制约电波传播却只在瞬息之间。唯有打破有形的桎梏才能跟上时代疾驰的步伐。低轨卫星通信要解决的核心问题从来不只是信号够不够强。而是 —卫星在天上飞得飞快你的天线能不能跟得上相控阵给出的答案很干脆我不跟你跑我用电信号指哪打哪。这可能就是低轨卫星时代天线 这个词该有的新定义。