作者：Ke Lu, Anokiwave

注：本文由DeepL翻译并经人工粗审，如有疑问可查阅原文或联系编辑

无处不在的连接需求

随着地面网络向5G演进，以满足日益增长的无处不在的连接需求，许多运营商意识到，如果没有卫星的帮助，移动网络本身无法实现全球覆盖。在网络边缘、海洋上空和偏远的陆地地区，情况尤其如此。这种无处不在的特性在产业竞争和创造价值、人们的沟通和互动以及军队为其公民追求安全方面正变得至关重要。随着用户数量、用途和对连接的要求继续成倍增长，将地面5G网络扩展到城市和网络密集的社区之外的重要性也在增加。我们相信其结果将是一个统一的网络基础设施，其中包括地面5G网络和大型多轨道卫星星座，以增加通信网络接入的规模和范围。

在5G地面网络中，卫星是提供额外回程的理想手段，将冗余纳入关键部分，并为偏远和农村地区提供更大的连接。3GPP标准机构认为非地面网络（NTN），包括高空平台系统、无人机和非地球静止轨道和地球静止赤道轨道（GEO）卫星是5G的一个扩展领域。他们认为这很重要，足以在第17版规范中加入对NTN的支持。

融合的挑战

近年来，在卫星发射成本降低、低地轨道（LEO）和地球同步轨道（GEO）星座新的颠覆性商业模式、地面终端成本降低以及打破联网和非联网地区"数字鸿沟"的全球倡议等多个行业进步的帮助下，NTN已经迅速成熟。同时，全球的地面网络正在从4G向5G迁移。随着NTN被纳入3GPP第17版，合并地面电信网络和NTN的宏伟愿景正在启动。

为使这一宏伟的融合愿景成为现实，业界需要解决以下问题：

·         卫星将需要在未来的电信网络中发挥更重要的作用，地面和天基组件协同工作，以大众市场可以接受的价格提供更广泛的功能。

·         协调和选择由不同实体管理和拥有、由不同国家管理的NTN频谱

·         在今天的智能手机上增加技术，与位于地球上空500公里的低地轨道卫星进行通信，而不增加手机的成本。

·         需要对3GPP标准进行新的修订，以包容NTN网络的各种独特属性，包括与卫星之间的长信号延迟、卫星运动导致的多普勒位移以及大面积的蜂窝（LEO的每个蜂窝面积约30 km²）。

·         解决NTN和地面网络的频谱难题，有效地重新使用已经分配给每个部分的频谱，避免空间和地面之间的干扰

·         一个整体的网络架构，以适应和连接不同国家的不同地面服务。

地面网络和NTN的一个共同交集是，两者都需要先进的相控阵有源天线来大幅提高gNB、手机、LEO卫星和卫星地面终端无线电的天线增益。低成本、高性能的有源电子扫描天线（AESA）将是地面网络和NTN融合的关键推动因素。

为大众市场解决价格问题

为了达到有吸引力的消费者价格，该行业必须利用从21世纪初推出的Wi-Fi技术中学到的成本降低，并将其应用于5G和卫星通信网络。毫米波集成电路的硅是实现成本和性能微妙平衡的技术，用于5G和卫星通信系统中相控阵天线的商业部署。有源天线遵循一个典型的数量曲线，即成本随着数量的增加而降低，这与其他消费电子产品非常相似，最好的价值来自一个灵活的解决方案，可以满足所有细分市场的需求。

建立在为批量射频设备生产而设计的商业硅工艺上的硅集成电路是一项关键的赋能技术。这项技术有助于使平板有源天线的电子波束导向在数量和成本上都具有商业可行性。利用多层商业印刷电路板（PCB）结构和标准表面贴装组件的平面相控阵是建立符合消费者价格目标的商业上可行的天线所需的技术。

解决技术问题

为了创造未来的相控阵，使其具有高效益并实现融合和共存，我们必须考虑几个因素：

可扩展性

许多卫星通信和5G用例导致对天线的功率、噪音和成本要求不同。有源天线自然是一个很好的技术解决方案，因为通过正确的设计，它们在尺寸上具有内在的可扩展性。Anokiwave的毫米波硅集成电路组合为5G毫米波阵列提供了完整的射频信号链解决方案，其系统级性能针对每个5G用例进行了优化。这使OEM能够快速设计阵列，以满足可扩展平台内的任何特定用例。这个平台在处理具有不同EIRP要求的用例方面提供了成熟的能力，从低到FCC允许的最大限度。图1展示了基于四通道波束赋形架构的阵列如何在EIRP和频率方面进行扩展，以解决多地区市场的多种用例。对于非常大的卫星通信终端，扩展是通过可扩展的子阵列构建块实现的。这是基于与5G阵列相同的概念，它使系统可以根据应用需求来设计和轻松调整尺寸。

图1 Anokiwave的IC平台可以使阵列在EIRP、G/T和频率方面进行扩展。

性能

用于相控阵天线的硅集成电路具有高性能、应用灵活性和易于集成、高能效和引人注目的经济性。为了在任何无线电系统中获得最高性能，功率放大器和低噪声放大器需要尽可能地靠近天线，以减少前端馈电损耗。在相控阵天线中，这意味着Tx/Rx和波束导向功能需要直接放置在辐射元件上。由于阵列中辐射元件之间的距离（晶格）通常为二分之一波长，这意味着相控阵天线电子器件的可用空间相当有限，特别是在波长非常短的高频率下。硅波束赋形器集成电路（BFIC）提供了在单个集成电路中集成射频、模拟和数字功能的最佳平衡。这使得有源天线的成本大大降低，平面结构更加简单。5G和卫星通信系统中的BFIC的基本架构是相同的，确保每个市场的规模效益最大化。

热设计

5G和卫星通信的有源天线必须被设计为支持广泛的温度环境，其中卫星通信终端的要求最为严格。卫星通信机载用户终端是所有市场中所有终端类型经历的极端温度的一个很好例子。它们必须在停机坪上运行，那里的温度在太阳光的照射下可以达到远远超过120℃，而当飞机的高度超过40000英尺时，温度为-46℃至-62℃。

这一温度范围需要良好的热设计，使电子器件具有温度稳定的性能。BFIC架构可能是一个重要的驱动因素，这取决于实现方式。用矢量调制器实现的移相器电路将需要跨温度的重大振幅和相位校准，因为其性能随温度变化而变化。Anokiwave通过使用具有稳定的振幅和相位性能的专有结构来解决这一难题。

波束赋形的实现

业界的一个误解是，卫星通信终端接收IC需要双波束，以支持先做后断（make-before-break）的连接。目前，没有一个LEO供应商支持多波束交接。先做后断的连接是在网络中管理的，由有源天线固有的快速波束导向能力实现。

为了使未来的卫星通信终端从5G市场的规模中获益，并使两个网络的融合在商业上可行，基础架构需要保持不变。这一点不仅适用于设备，也适用于PCB设计。单波束架构有很大的节省，因为不再需要集成第二个模拟波束赋形网络或包括更复杂和昂贵的数字波束赋形以实现双波束架构。其结果是降低了复杂性、功率和成本。

连接和融合的未来始于现在

市场趋势预测在不久的将来会出现市场融合。这些是我们看到的趋势：

大趋势1：用最经济的解决方案连接未连接的地区，使运营商和消费者的商业案例在商业上是可行的。

大趋势2：无处不在的连接需要卫星系统来满足对5G网络的全方位需求。这包括增加城市中心以外的流量和连接数量，为移动中的设备提供覆盖，以及在远离密集连接区域时无缝连接网络边缘的资产。

大趋势3：在未来的网络中提高能源效率，因为运营商希望在提高网络容量的同时减少碳排放。通过使用卫星连接低密度地区，运营商可以消除大量的塔式基站，这些基站消耗电力，只能为少数用户服务。

大趋势4：NTN系统通过提供重复地面网络关键部分的叠加网络，为公共安全带来好处。在发生灾难的情况下，NTN可以通过冗余提供额外的弹性。

图2显示了连接和融合的未来图景。为了实现这些巨大的市场趋势，我们认为，与多轨道卫星通信和5G系统进行通信的商用大批量终端需要具有极快可转向波束的低成本天线。我们认为，这些系统的设计必须采用能够实现稳定的温度性能和灵活的偏振方案的IC架构。Anokiwave的硅基毫米波BFIC提高了性能，降低了成本，简化了热管理，并提供了大量独特的数字功能，以简化整体系统设计，为未来的融合和共存提供了最佳的AESA解决方案。

图2 非地面卫星网络与地面5G网络共存，使我们更接近无处不在的连接目标。

Anokiwave在这些市场已经有超过20年的经验。该公司已经开发了多代卫星通信和5G产品，正在批量生产，并为OEM提供无与伦比的应用专业知识。这使客户能够以更快的时间开发出更好的阵列，以及最重要的是，支持客户将其网络扩展到传统的5G或卫星通信用例之外的经验。