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低轨卫星用什么做放大器?

来源:晰数塔互联网快讯 时间:2023年10月23日 09:26

上周,上海搞了一个大新闻。

10月19日,上海市人民政府印发《上海市进一步推进新型基础设施建设行动方案(2023—2026年)》(以下简称《行动方案》),《行动方案》聚焦新网络、新算力、新数据、新设施、新终端等五方面,提出30项主要任务、10大示范工程及7项保障措施。到2026年底,上海市新型基础设施建设水平和服务能级迈上新台阶,支撑国际数字之都建设的新型基础设施框架体系基本建成。

其中最受关注的就是关于布局“天地一体”的卫星互联网的内容,上海或将加速卫星互联网建设。

目前地面光纤网络和移动网络还是存在一定的局限性,无法形成“全方位,无死角”的网络覆盖,因此补充低轨道卫星,是实现“天地一体”的重要组成之一。

其实早在7月,上海市松江区委程书记就对媒体表示,上海加快开辟新领域新赛道,打造低轨宽频多媒体卫星“G60 星链”,实验卫星完成发射并成功组网,一期将实施 1296 颗,未来将实现一万两千多颗卫星的组网。

反正马斯克看了直呼内行。

地球轨道卫星种类

目前轨道卫星按不同的高度分三大类,其中有一种轨道比较特殊,因此也有分四类的。

一、低/近地球轨道卫星(英文缩写为LEO),轨道高度为400-2000公里,大多数对地观测卫星,测地遥感卫星,空间点,以及新的通信卫星,多数都在这一层。

二、中地球轨道卫星(MEO),轨道高度为2000-3600公里之间,GPS,伽利略都在这一层。

三、地球同步转移轨道卫星(GTO),它的轨道比较特殊是椭圆形轨道,近地点只有1000公里,远地点超过3600公里。

这种轨道卫星是霍曼转移轨道的运用之一,加速后可以达到地球静止轨道。

四、地球同步轨道卫星(GEO),或者也叫对地相对静止轨道,轨道高度约3600公里。

在同步轨道上卫星的运行方向与地球自转方向相同、运行轨道为位于地球赤道平面上圆形轨道、运行周期与地球自转一周的时间相等,即23时56分4秒,卫星在轨道上的绕行速度约为3.1公里/秒,其运行角速度等于地球自转的角速度。

显然这种同步轨道卫星,对于气象卫星而言,等于提供了同一表面区域的恒定视图,这样就可以实时发送该地区的有关云,水汽,风等信息,给气象站提供相关的数据用于气象预报。

微信开机画面,就是2017年9月25号正式交付使用的卫星风云四号拍的照片,风云四号就是我国新一代静止轨道气象卫星。

图/微信截图

显然,要把卫星送到3600公里的地球同步轨道,需要大运力的运载火箭,这个技术全世界也没几个国家掌握,成本也非常高。

而且目前对于轨道资源争夺也非常激烈,国际规则是“先到先得”,谁先申报就能优先使用,特别是地球同步轨道资源争夺非常白热化,所以各个国家就把目标放在低轨道卫星上。

因此,高度比较低的400-2000公里的近地轨道卫星就变成了香饽饽。

通信的无线频段

既然要搞低轨道卫星通信,很显然有一个绕不开的话题,你用啥无线电频段进行通信?

通信技术专家步日欣日总表示这个我熟!

卫星通信频段包括L,S,C,X,Ku,Ka,Q,V等各个波段。

L、S频段主要用于卫星移动通信;C、Ku频段主要用于卫星固定业务通信,Ka频段应用开始大量出现。为了满足日益增加的频率轨道资源需求,卫星通信领域正在布局Q/V等更高的频段资源。

具体频段范围如下:

从专业的通信角度看,卫星通信基本原理其实和无线通信基本一致。

无线电波信号接收进来,经过滤波,放大,数据处理,然后再按原路返回。

无线电信号,经过放大,再进行处理,才能变成计算机能处理的离散0,1信号。

反过来也一样,把离散信号0,1变成,连续的模拟信号。

这模拟信号和离散数字信号的转换原理,其实就是傅里叶变化的应用,估计学习数学和通信的老哥们,当年看到傅里叶转换公式头都炸毛了。

反正我是看不懂,我只知道原理是万物皆可拆分。

在实际工作环境中,无论接收信号的灵敏度还是发射信号强度就变得非常重要。接收端接收到的无线电波需要通过LNA低噪放大器,把微弱的信号放大数倍。而发射端要求更高,需要把处理后的信号进行放大,包括一级放大,二级放大,甚至三级放大,获得足够的射频功率,才能馈送到天线上辐射出去。

那么问题来了,拿什么来做这一二三级的信号放大器?

早期的雷达上,用的是微波真空二极管也叫磁控管,这玩意儿也是微波炉的老祖宗。

到后面用行波管,速调管之类。当然现在科技非常发达,采用的是固态源,也就是用半导体技术,来做放大器芯片,这东西简称就是PA,功率放大器。

上世纪50年代开始,美国的研究机构就开始研究用化合物半导体材料来制造功率放大器,这个技术一直沿用至今。

现在无论民用,还是军用大量使用GaAs(砷化镓)这种材料来做功率放大器,也有少量使用InP,磷化铟。

对于6GHZ以内的L,S以及部分C频段,砷化镓足够应付,超过6G的X,Ku,Ka频段,砷化镓就不太好弄了。

因为砷化镓材料也有局限性,材料所限它电压上不去,因此没法整太大功率,功率不够就没法整高频频段。

这么一看,似乎砷化镓不太够,于是现在出现采用宽禁带也就是第三代半导体材料GaN(氮化镓),甚至未来不排除用超宽禁带也就是第四代半导体材料ALN氮化铝,用这玩意来搞PA放大器。

但是氮化镓简直就贵得离谱,氮化铝更加别提了。

目前氮化镓基氮化镓的外延片(GaN on GaN)真的贵得离谱,2英寸的都得上万美金,这和氮化镓目前没有好的长晶技术有关系,这东西比碳化硅难整整十倍。

所以同质外延不太行,就采用异质外延技术,让所需的氮化镓外延层长在其他材料上,比如半绝缘型的碳化硅基氮化镓(GaN on SiC)大量在雷达,基站上使用,当然这玩意儿也不便宜,一片外延片也要上万人民币。

而导电型的碳化硅,是做SiC MOSFET的,那是干功率的,切记!

所以,要么上氮化镓,要么想想办法能不能再挖挖砷化镓的潜力。

两种材料相比之下,砷化镓相对氮化镓便宜很多,产量也很大,6英寸半绝缘型也就大几百块钱而已,氮化镓贵且产能少。

于是有人琢磨能不能在结构和工艺上突破一下?至少让砷化镓能满足部分高频段的要求。

从HBT到HEMT

这里开始就是专业知识科普了。

PA放大器领域,也有自己的特殊晶体管结构以及工艺。

目前PA放大器包括三种结构:HBT,叫异质结双极型晶体管;此外就是HEMT,高迁移率晶体管,也叫赝调制掺杂异质结场效应晶体管(pMODFET),此外还有MESFET,金属半导体势垒接触场效应晶体管。

MESFET用得非常少,这里暂时按下不表。主流就是HBT和HEMT。

相比之下,HEMT具有HBT的部分优点,它不仅提高了器件阈值电压的温度稳定性,而且改善了器件的输出伏安特性,使得器件具有更大的输出电阻、更高的跨导、更大的电流处理能力以及更高的工作频率、更低的噪声等。

从实际应用看,能用HBT的就用HBT,不行的再用HEMT。因此HBT占了大概60%,剩下的HEMT占40%

现在手机上大多是GaAs HBT的PA,HEMT多用在大型基站上。

早期的2G时代都是GaAs PA,到后面3G时代,高通与Skyworks推出Si制程MMPA , CMOS PA (LDMOS), 主打高性价比策略,因此3G时代还有硅基PA方案,但是那玩意儿到3GHz后面频段线性度就基本没法看了,而且面积大,发热大,因此4G(3.5GHz-3.9GHz),以及5G(6GHz-27GHz)时代后就基本淘汰了。

有人问HEMT性能这么好为什么不都用HEMT?

废话,商业环境里你得考虑成本!

因为HBT和HEMT要用的外延技术不一样,导致两者成本上有较大差异。

HBT可以用MOCVD金属有机源化学气相沉积的设备来长所需的外延层,但是HEMT不行,得上MBE分子束外延设备。

MBE设备非常贵,而且外延层生长速度较慢,产能小,市场小,所以高成本的HEMT只能是配角。

但是如果从低轨卫星所用PA的来看,HEMT是主角,但是在C,X波段上还能凑合一下,对于Ku波段而言(18GHz),HEMT也力不从心,更高的Ka(27GHz)波段就更别提了。

所以得开发更牛X的玩意儿。

下一代PA:BiHEMT

目前有好几个技术路线,当然篇幅所限我讲个实际能用,技术上相对比较成熟,成本也可控的,那就是BiHEMT,异质结高迁移率晶体管。

从名字上看这个BiHEMT,像HEMT的加强版,对,实际上就是HEMT的加强版。

图片来自中科芯电

BiHEMT,实际上就是HBT和HEMT优点结合产物。这个有点像BiCMOS,Bipolar(双极型)和CMOS(互补金属氧化物)结合的产物。

BiHEMT经由电路设计透过外延生长及制造将InGaP HBT线性功率放大器、AlGaAs pHEMT高频开关、AlGaAs pHEMT逻辑控制电路、AlGaAs pHEM低噪声的功率放大器、被动组件及内部连接线路整合在单一砷化镓芯片中。

这玩意儿可以完美符合低轨道卫星对于PA的需求,从8-27G,通通不在话下。

所以假设新一代“天地一体”卫星互联网,中国真的要搞,还能搞成,这GaAs BiHEMT绝对是受益的。

本文来自微信公众号:启哥有何妙计(ID:qgyhmj),作者:陈启

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