卫星通信波束形成

卫星通信(SatCom)是一个在全球通信生态系统中发挥着巨大作用的重要市场。它支持多种应用，包括导航系统、军事、天气监测、电信等等。卫星通信行业已经转向更高频率频带，以支持不断增长的带宽需求，如X、Ku、K和Ka频带。

在一个对高数据速率的需求不断增加的时代，有必要关注射频前端的关键部分之一，天线。不幸的是，天线在射频设计中经常被忽视，这可能被证明对整体系统性能极为不利。例如，以手机的射频前端为例，射频工程师可能会尝试从传输线到PA匹配中挤出dB的每个部分，以优化设计的线性度和效率。然而，如果不仔细考虑天线，工程师可能会面临尺寸和功能方面的问题。

抛物面碟形天线的主要特点

抛物面碟形天线一直是卫星通信工业地面站的传统天线。它们已经成为标准设计，良好的性能，功耗和成本。然而，碟形天线也有一些缺点，包括体积大、转向速度慢、长期可靠性差、只能在固定的辐射模式下发射和接收。

相控阵天线属性

相比之下，相控阵天线是电动导向的，与传统机械导向天线相比，它具有许多优点，包括低轮廓/更小的体积，改进的长期可靠性，快速转向，以及具有多波束。

天线的力学原理

天线将射频信号转换成电磁波用于传输，反之亦然用于接收。每个天线都有一个辐射方向图，该方向图定义了天线辐射能量的方向。增益和方向性是天线的关键参数，天线增益越大，天线的方向性越强。天线的这一特性使得它在增加5G、卫星通信等无线系统的容量方面具有吸引力。

MIMO技术已广泛应用于无线系统，如Wi-Fi和最近的蜂窝/5G通信，以支持高频谱效率。

一根发射无线信号的天线几乎向所有方向辐射该信号。通过将信号聚焦在特定的方向，波束形成允许接收端接收到更高质量的信号，而不需要增加发射功率。波束形成的额外好处是，信号不会向不需要的方向广播，从而减少了对其他信道/系统的干扰。

波束形成是什么?

波束形成是在多个天线阵列的发射端和接收端同时发送或接收多个信号，以提高系统容量和性能的一种信号处理技术。采用这种方法，每个天线单元都被馈送一个独立的发射信号。波束形成降低了干扰，提高了信噪比。

一般来说，波束形成可分为被动波束形成和主动波束形成。

无源波束形成是通过使用固定定向天线和包括无源组件，如表面贴装功率分频器，如诺尔斯PDW07069， 24至32 GHz, 4路分频器和或频率选择滤波器，如B289KA0S， 28.9 GHz, SMT带通滤波器。

有源波束形成方法，也称为相控阵，在每个天线单元上都有有源移相器，该移相器改变阵列中每个单元的相对相位。这些有源电子扫描阵列天线(AESAs)可以被“操纵”，以向特定方向发送无线电信号，而不是简单地向所有方向广播信号。波束形成系统的工作原理是确定感兴趣的方向，并在该方向发射或接收更强的波束或信号，然后消除干扰波束信号。

例如，该阵列的典型实现使用配置成等间距行和列的贴片天线单元，如4×4阵列设计，意味着总共16个单元。这种天线阵列配置可以在地基系统中增长相当大。

图1有源天线矩阵

一些集成电路制造商正在开发具有先进功能的有源波束形成芯片。例如,瑞萨的F6521是一种8通道、发射、有源波束形成射频集成电路，专为ku波段卫星通信平面相控阵天线设计。该IC有一个单一的公共射频输入端口和八个输出通道。8个独立控制的输出通道可以驱动电子扫描阵列(ESA)的8个单极或4个双极元件。每个通道有6位数字相位控制，覆盖360°和25 dB增益控制，最小步长0.2 dB，实现精确的波束图和偏振控制。

波束形成在卫星通信

卫星通信市场的增长取决于低成本用户终端的开发和可用性，这些终端能够在移动中跟踪卫星位置。终端的天线必须能够进行广角扫描。

大容量GEO网络和新的LEO和MEO卫星星座将有助于满足宽带接入的需求。波束形成技术在卫星通信中越来越受到关注，因为它解决了交付高通量卫星(HTS)有效载荷的挑战，并配合灵活的地面终端技术。

一个典型的波束形成RFFE (RF前端)集成了发射(Tx)和接收(Rx)组件。在Tx路径上，射频元件包括驱动器、功率放大器、上变频器、滤波器、移相器等。在Rx路径上，集成的射频模块包括低噪声放大器(LNAs)，下变频器，滤波器等。

结论

相控阵天线最近的增长得益于将数字和射频电路结合到单个集成电路中，控制射频信号路径中的阵列转向，以实现所需的相位和幅度调整。在更高功率的应用中，氮化镓基功率放大器显著提高了功率密度，并被用于大型地基雷达。为了确保最佳的系统性能和避免昂贵的重新设计，射频工程师必须在设计阶段的早期考虑适当的天线选择。使用波束形成技术，卫星通信工程师可以从增加的系统容量和性能中获益。

如有任何有关波束形成或天线选择的问题，请与我们知识渊博的工作人员联系，或浏览我们的网站乐动全站APPwww.rfmw.com．

作者:Ajmal Khan, RFMW区域销售经理