Ka波段应用面临的设计挑战概述

传统Ka波段地面站卫星通信系统依赖于室内到室外配置。室外单元包含天线和块下变频接收机，接收机输出L波段的模拟信号。该信号随后被传送到室内单元，室内单元包含滤波、数字化和处理系统。Ka波段的干扰信号通常较少，因此室外单元的主要任务是以线性度为代价来优化噪声系数。室内到室外配置很适合地面站，但难以融合到小尺寸、重量轻、低功耗(SWaP)的环境中。若干新兴市场推动了对小尺寸Ka波段接入的需求。无人机(UAV)和步兵若能接入此类信道，将大大受益。对于无人机和步兵，无线电功耗直接决定电池寿命，进而决定任务时长。此外，过去专门用于空中平台的传统Ka波段信道，现在正被考虑用于提供更广泛的接入。这意味着，传统上仅需要下变频单个Ka信道的空中平台，现在可能需要工作在多个信道上。本文将概述Ka波段应用面临的设计挑战，并说明一种支持此类应用实现低SWaP无线电解决方案的新架构。

简介

卫星通信行业的最新趋势显示，信号传输正从X波段和Ku波段推进到Ka波段。这在很大程度上是因为该频率范围内很容易实现带宽更宽的收发器。与此同时，X、Ku和Ka波段中的发射机总数在不断增加。过去，Ka波段中的发射机数量非常少，但随着这种趋势的发展，此范围内的频谱会变得越来越拥堵。这给此类系统的收发器设计提出了挑战，尤其是针对低SWaP市场，这些市场的尺寸和功耗要求会限制可达到的选择率。由于选择率压力越来越大，人们自然会折中考虑，降低选择率要求。某些情况下，例如频谱环境不那么明确的移动平台中，这种折中是有意义的。但在其他可以非常精确地预测干扰的平台中，选择率仍将是最高优先目标。

室内和室外概述

在典型的永久性卫星通信设施中，室外设备和室内设备在功能上是分开的。室外设备由Ka波段天线、低噪声块(LNB)和下变频级组成，其将Ka波段信号下变频为L波段信号，然后发送到室内单元。LNB和下变频级通常合并为一个单元，其输出端利用同轴电缆或光纤将信号发送到室内以供进一步处理。在天线端下变频至1 GHz到2 GHz信号可防止连接到室内单元的电缆产生额外损耗。室内单元由L波段接收机和解调器组成。此单元负责对信号做进一步滤波、数字化和处理。此外，它与地面传输网络相连，以便将信号发送到中央处理地点。

在发射侧，波形产生发生在室内L波段设备中。信号通过同轴电缆或光纤发送到室外设备。室外设备包含如下器件：一个块上变频器(BUC)，用以将信号从L波段变频至Ka波段；一个HPA，用以将信号放大到所需的发射功率水平；以及一根天线。如果接收机和发射机共用该天线，则还会有一个双工器，用以将发射机信号和接收机信号隔离开来。

尺寸和功耗

由于是永久设施，固定安装地点中的器件通常不是针对低SWaP而设计。根据其特性和滤波要求，室外LNB可能有10" ×4" ×4"那么大。它通常尽可能靠近天线馈线放置，以优化系统噪声系数。室外BUC通常有相同的尺寸，而室外HPA可能非常大，具体尺寸取决于输出功率要求。室内设备包含一个19英寸宽机架安装解调器，它可以同其他机架安装调制解调器或处理设备叠放在一起。此设备负责完成接收和发射卫星通信信号的任务，但其SWaP效率可能不是很高。

低SWaP市场

虽然全球移动通信发展的深化，以及人们期望即便在最偏远地区也有通信和数据链路可用，市场对降低SWaP的呼声越来越高。

近年来，政府和商业对无人机的使用越来越多。无人机可用在距离其基地超过数百英里的偏远地区，日益依赖卫星通信来发送收集到的数据及接收操作员指令。此外，我们看到商业世界开发的无人机用途越来越多，其中许多既需要与卫星通信，也需要与其他航空器通信。这导致使用的频谱更高，而以前对高频谱的使用非常少。随着频谱变得越来越拥挤，滤波、频率规划和灵活性变得越来越重要。

低SWaP卫星通信持续增长的另一个市场是手持式和便携式领域。除安全通信外，人们还希望发生和接收其他更多内容，这导致对手持设备的需求不断增加。人们渴求快速发送数据，包括照片、音频文件、地图和其他数据，以及捕获带宽更宽的信号。这要求提高瞬时带宽，而外形尺寸则保持不变或比上一代更小，并且要降低功耗以免携带笨重昂贵的电池。战术车辆自身的功率有限，空间较小，故而存在类似的SWaP限制。

另外，与波形无关的系统有很多潜在好处，可以进行配置以使其在任何给定波形环境中发挥作用。在当今的一些军用系统中，航空器上需要三到五个不同的收发器系统以帮助不同系统相互通信。将这些系统合并成一个与波形无关且具有软件定义灵活性的系统，可以让尺寸缩小5倍。

低SWaP的设计挑战

来自低SWaP市场的需求不断增加，但还有许多挑战需要克服。举例来说，单单滤波这一项要求就会使此类系统的尺寸增加不少。随着频率范围提高到Ka波段，当下变频到1 GHz中频(IF)时，越来越难以实现同样的抑制性能。这就需要增加滤波器数量或增大滤波器尺寸。而且这些滤波器并不便宜，每个通常要花费200美元或更多。就此而言，较高中频会很有利，因为这样可以降低滤波器要求。

此外，在低SWaP市场中，网络的不同节点以网格方式通信，部分网络没有地面基础设施。由于没有一个中央位置来执行处理，因此各收发器必须能够处理收到的数据。传统卫星通信市场的天线与处理器之间是分离的，但在低SWaP市场，人们希望数字化处理和FPGA尽可能靠近天线。这种本地处理为此类网络应使用多少带宽设置了限制，因为要处理的带宽越宽，则所需的时钟速率和器件功耗越高。在传统固定安装的Ka波段网络中，可以使用高达1 GHz的瞬时带宽。在低SWaP市场中，100 MHz到200 MHz更符合实际。

为了解决这些接收机挑战，传统办法是采用超外差架构，其会将Ka波段下变频至L波段，在下变频到L波段之前可能还有一个中间级。这种方法需要使用大滤波器，器件数量多且功耗高，无法支持低SWaP要求。鉴于上述限制，典型超外差架构开始在此类应用中式微。

高中频架构

针对此类市场，更好且更合适的架构是高中频架构。这种架构利用了直接变频收发器相关技术的最新进展。在直接变频收发器中，输入RF能量直接变频到基带，并分割为I和Q两个单独的流。此类产品已将其频率范围提高到6 GHz，从而支持新的独特使用场景。过去，这些器件的性能满足不了要求超高性能的军用和商用系统的需要。但最新进展表明，利用这种技术可以满足高性能需求。

这些器件的一些最新进步包括：带宽更高、线性度更好、集成数字信号处理功能更多、校准更轻松。这些器件的典型带宽高达200 MHz，而且可以针对不需要高带宽的情况进行调整。在频谱拥挤的环境中，此类器件的高线性度还有助于提高性能。这会使灵敏度略有降低，但在这种环境中，此类折中是必要的。此外，集成DSP功能可降低系统中FPGA的负担，节省功耗，减少复杂性。这些器件集成的FIR滤波器可进一步帮助解决拥挤环境中常见的许多通道选择率问题。

此类器件的另一个进步是集成了连续时间Σ-Δ型ADC (CTSD)。抗混叠滤波是这类ADC的固有功能，因此不再需要SAW滤波器，这有助于降低此类系统的延迟。

在高中频架构中，Ka波段不是直接变频为基带，而是先转换到高中频，然后馈入直接变频接收机。由于此类转换器的频率范围得到提高，该中频可以放在5 GHz到6 GHz之间。中频频率从1GHz（当今的典型系统）提高到5 GHz，使得镜像频率范围比以前离得更远，故而前端滤波要求大大降低。前端滤波简化是缩小此类系统尺寸的一个因素。

采用AD9371的系统示例

图1显示了此类系统的一个例子。该系统由一个17 GHz到21 GHz的接收机通道和一个27 GHz到31 GHz的独立发射机通道组成。从接收机通道开始，输入RF能量先由Ka波段LNA放大，再进行滤波以让17 GHz到21 GHz信号通过混频器。混频器利用一个22 GHz到26 GHz范围的可调谐LO将17 GHz到21 GHz频段以100 MHz一段下变频至5 GHz IF。前端滤波器处理27 GHz到31 GHz范围中的镜像抑制、LO抑制和带外信号的一般抑制，防止来自m ×n镜像的杂散信号通过混频器。此滤波器很可能需要定制，但由于对此滤波器的要求降低，所以其尺寸、重量和成本会比传统系统要低。

图1. 采用AD9371的接收机和发射机卫星通信系统示例

一旦将RF前端转换到5 GHz的高中频，就会进行进一步放大和滤波，然后发送到AD9371。高中频所需的滤波比较弱，利用现成的廉价小型LTCC滤波器即可轻松完成。这里的主要关切是要确保无中频谐波影响AD9371。

表1. 接收机性能

	性能
增益	37 dB
增益调整范围	30 dB
噪声系数	4 dB
IIP3	–3.5 dBm
Psat (全增益)	–35 dBm
带宽	100 MHz
直流功率(包括LO 发生器)	3.3 W

在发射侧，AD9371可用来产生并输出最高+4 dBm的5 GHz波形。IF位于5.3 GHz的频率，不同于接收机上的5.1 GHz，这是为了降低两个通道之间发生串扰的可能性。然后对输出滤波以降低谐波水平，接着馈入上变频混频器，变频到27 GHz至31 GHz前端。这可以利用与接收机侧相同的22 GHz至26 GHz范围的LO来完成。

表2. 发射机性能

	性能
输出功率	21 dBm
输出调整范围	42 dB
本底噪声	–151 dBc/Hz
OIP3	32 dBm
带宽	100 MHz
直流功率(包括LO 发生器)	4 W

此外，采用直接变频收发器可为频率规划提供更大的灵活性。这里仅给出了一个例子，但还有许多可能的频段可以使用相同的架构。AD9371能够快捷轻松地改变其IF频率，使得系统可以灵活地避免有问题的杂散响应，或者像人们对软件定义无线电的预期那样进行性能优化。

结语

世界各地都需要借助通信和数据实现连接，这使得卫星通信收发器的数量越来越多。近年来，X和Ku波段日益拥挤，故而推动低SWaP系统向Ka波段发展。无人机、手持式无线电或战术车辆上安装的卫星通信网络的激增，强烈要求通过创新方法来降低SWaP，同时保持高性能指标。在高中频架构中，我们已展示了一个合适的平台来在这些频段中实现更高的选择率，其利用了目前可用的集成直接变频收发器的小尺寸和低功耗特性。AD9371用作中频收发器可将收发器的整体尺寸缩小一个数量级，从而为解决下一代卫星通信难题提供大量解决方案。

审核编辑：刘清