Развитие рынка спутниковой связи

Низкоорбитальные системы (НОО)

Существенное увеличение емкости космического сегмента обеспечивается не только геостационарными спутниками. В настоящее время разрабатывается ряд низкоорбитальных спутниковых систем, включая проекты Telesat, OneWeb, SpaceX, Iridium и LeoSat. Группировки этих систем будут обращаться вокруг Земли, предоставляя связь в регионах, ранее не охваченных спутниковыми услугами. Размер этих констелляций варьируется от 100 до 1000 спутников, что обеспечит колоссальную совокупную емкость. Недавно компания SpaceX/Starlink получила разрешение от FCC на запуск дополнительных 7 000 спутников для интернет-вещания, в дополнение к ранее одобренным 4 000, что доведет общее число аппаратов в их группировке до 12 000. Эти спутники НОО будут дополнять группировку OneWeb, планирующую развернуть около 600 спутников. Telesat намерена эксплуатировать 292 спутника НОО с возможностью расширения до 512 аппаратов. Вероятно, другие компании также рассматривают аналогичные планы по запуску спутников. Целью данных низкоорбитальных систем является обеспечение глобального широкополосного доступа в интернет для индивидуальных пользователей. Стратегия этих компаний — предоставить широкополосный доступ миллионам потенциальных удаленных абонентов, не имеющих его в настоящее время.

Среднеорбитальные системы (СОО)

К системам на средней околоземной орбите относится O3b (O3b mPOWER — система спутников связи, принадлежащая и управляемая SES), расширяющая свою группировку спутников на экваториальной орбите с широтой 50 градусов с 16 до 42 аппаратов. Новые спутники планируется разместить на наклонных орбитах для обеспечения обслуживания полярных регионов. Семь новейших спутников обеспечат суммарную пропускную способность 10 ТБПС.

Сравнительный анализ орбитальных спутниковых систем

Геостационарная орбита (ГСО), средняя околоземная орбита (СОО) и низкая околоземная орбита (НОО) представляют собой три основных типа орбитальных спутниковых систем, обеспечивающих комплексное покрытие для современных коммуникационных потребностей. Каждая система обладает уникальными характеристиками, определяющими ее преимущества и недостатки.

Спутники ГСО

Располагаются на высоте около 35 800 км над экватором. Преимущество ГСО заключается в неизменном положении относительно Земли, что позволяет охватывать обширные географические зоны при меньшем количестве спутников. Однако значительное расстояние обуславливает высокую задержку сигнала — от 600 до 800 мс. Данная технология оптимальна для телевещания, радиотрансляций и метеорологической связи.

Спутники НОО

Функционируют на орбитах высотой 500–1500 км. Отличаются меньшими размерами, более низкой стоимостью производства и запуска. Характеризуются коротким жизненным циклом и требуют большего количества аппаратов для глобального покрытия. Вследствие близости к Земле движутся с высокой скоростью. Обеспечивают улучшенное покрытие связи для морских судов в открытом океане. Существенное преимущество — низкая задержка сигнала (30–50 мс), что делает их привлекательными для игровой индустрии, потокового видео, аудио и оперативной интернет-коммуникации.

Спутники СОО

Располагаются на высоте 5000–12000 км. Обеспечивают задержку сигнала 125–250 мс, что оптимально для систем глобального позиционирования и сервисов, допускающих умеренные задержки распространения сигнала.

Технические аспекты

Значительное увеличение емкости спутниковых систем потребует беспрецедентного количества пользовательских терминалов с управляемыми антеннами. Такие антенны необходимы при движении спутника или терминала. Системы НОО и СОО требуют управляемых антенн как для стационарных, так и для мобильных пользователей. Системы ГСО нуждаются в управляемых антеннах для мобильных пользователей и приложений с автоматическим наведением для достижения максимальной пропускной способности.

Традиционно спутниковые диапазоны высокой пропускной способности функционируют на частотах 10,7–12,75 ГГц или 17,7–20,2 ГГц для нисходящих линий и 13,75–14,5 ГГц и 27,5–30,0 ГГц для восходящих линий. Для эффективного использования значительных космических ресурсов требуется массовое производство высокочастотных активных антенн с управляемыми лучами. Необходимы антенны с высокой производительностью, низким профилем, возможностью изготовления с применением двумерных методов производства и масштабируемостью для удовлетворения различных потребностей — от крупных терминалов с высокой пропускной способностью до компактных с меньшей пропускной способностью.

Применение активных фазированных антенных решеток с электронным управлением в спутниковой коммуникации

Фазированные антенные решетки представляют эффективное решение многих проблем в области спутниковой связи. Данные устройства состоят из массива излучающих элементов, на которые подаются сигналы с различными фазовыми и амплитудными характеристиками для формирования направленного луча. Электронное управление лучом исключает необходимость в подвижных компонентах, что обеспечивает компактность, надежность и экономичность обслуживания антенн данного типа.

Для достижения оптимальной производительности радиосистемы усилитель мощности и малошумящий усилитель должны располагаться максимально близко к антенне, минимизируя потери во фронтальном канале. В фазированных антенных решетках функциональные блоки приема/передачи и управления лучом интегрируются непосредственно с излучающим элементом. Учитывая, что расстояние между излучающими элементами в решетке обычно составляет половину длины волны, пространство для размещения электроники весьма ограничено, особенно на высоких частотах с малыми длинами волн. Единственной монолитной технологией, обеспечивающей достаточную интеграцию необходимых радиочастотных, аналоговых и цифровых функций, является кремниевая. Благодаря закону Мура, развитие кремниевых технологий позволило отказаться от использования полупроводниковых компонентов III-V группы, таких как GaAs, что привело к значительному снижению стоимости и упрощению конструкции.

Типичная конструкция планарной фазированной решетки включает многослойную печатную плату (ПП) с антенными элементами, выполненными в металле на одной стороне, и кремниевой управляющей электроникой — на противоположной. Внутренние слои ПП обеспечивают сети формирования луча, подачу постоянного напряжения и маршрутизацию управляющих сигналов. Такая конструкция позволяет осуществлять простой поверхностный монтаж с использованием автоматов установки компонентов и ИК-пайки. Для достижения оптимальных характеристик необходима оптимизация схемы по параметрам согласования, потерь и мощности. Продукция компании Qorvo разработана с учетом оптимизации компоновки при минимальной стоимости и сложности платы.

Планарные фазированные антенные решетки обладают масштабируемостью, что позволяет использовать антенны большего размера для приложений с высокими требованиями к G/T или EIRP, и меньшего размера — для приложений с низкими требованиями. Кремниевые интегральные схемы, размещенные внутри антенной решетки, устанавливаются и повторяются по всей структуре независимо от ее габаритов.

ИС Qorvo для активных плоских панелей с фазированной решеткой нового поколения

Компания Qorvo разработала второе поколение интегральных схем (ИС) для SATCOM, специально предназначенных для высокопроизводительных и экономичных терминалов с фазированной решеткой. Данные компоненты функционируют в режиме FDD (Frequency Division Duplex), охватывая глобальные диапазоны SATCOM Ku, K и Ka.

Ключевые характеристики ИС:

1. Поддержка четырех двухполяризационных излучающих элементов с полной поляризационной гибкостью.
2. Индивидуальный контроль фазы и усиления для каждого канала.
3. Регулировка усиления на элемент для оптимизации уровня боковых лепестков.
4. Схема детектора мощности с АЦП на каждом элементе TX для оценки выходной мощности передатчика.
5. Питание от одного источника 1,2 В.
6. Высокий коэффициент усиления, низкий коэффициент шума и превосходная эффективность по постоянному току.
7. Компенсация усиления при изменении температуры, отчет о температуре и калибровка нуля массива.
8. Компактный корпус WLCSP (Wafer Level Chip Scale Package) размером 4,4 x 3,6 мм.

Технология ZERO-CAL® компании Qorvo устраняет необходимость в калибровке решетки, сокращая время, сложность и стоимость тестирования. ИС обеспечивают быстрое управление лучом для оперативного углового отслеживания в мобильных условиях и быстрой передачи луча между спутниками LEO/MEO. Температурная компенсация поддерживает постоянный коэффициент усиления в диапазоне от -40 до +85°C. Передача телеметрии на хост-систему позволяет проводить профилактическое обслуживание.

В ИС SATCOM Qorvo используется 300-мм КМОП-кремний, обеспечивающий оптимальное сочетание производительности и низкой стоимости, что способствует коммерциализации активных антенн с электронным управлением для SATCOM.

Заключение

Qorvo предлагает ИС для всех диапазонов мм-волн 5G, SATCOM и радаров, обеспечивая эффект масштаба для создания экономичных и высокопроизводительных плоскопанельных решений. ИС SATCOM 2-го поколения в Ku- и K/Ka-диапазонах устанавливают стандарты для высокопроизводительных и недорогих плоских панельных антенн, предназначенных для массового коммерческого развертывания в наземных терминалах LEO, MEO и GEO SATCOM, а также в приложениях «спутник в движении».