深入解刨星链StarLink二代终端,分析元器件评估制造成本

admin 2023年3月25日10:45:12评论1,845 views1字数 23793阅读79分18秒阅读模式

      Starlink 天线的技术比目前战斗机上的技术更先进。2020年 12 月 3 日,美国专利 & 商标局公布了 SpaceX Starlink 专利文件合集。精心制作的文件最初于 2020 年 6 月提交给专利代理机构。每份文件都展示了解释卫星网络如何与相控阵碟形天线一起工作的图形。

    为了从太空中的卫星接收服务,用户安装了公司昵称为“Dishy McFlatface”的相控阵天线碟,并通过 Wi-Fi 路由器设备连接。SpaceX 发布了 Starlink Internet Kit,其中包含用户开始使用卫星覆盖所需的一切。它包括卫星地面系统、控制器和电缆。

二代和一代天线部分又小了很多,天线RF芯片二代16颗,一代20颗。

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通过天线板、电源板、路由主板对二代StarLink路由器进行分析,制造成本明细评估:

序号 项目 成本
1 集成电路 334.58 美元
2 模块、分立元件和连接器 67.25 美元
3 非电子零件 60.77 美元 
4 基材 47.11 美元
5 其他子系统 33.03 美元
6 组件插入 21.39 美元
7 卡片测试 13.34 美元 
8 最终组装和测试 9.42 美元

研发成本无法评估。深入解刨星链StarLink二代终端,分析元器件评估制造成本

一、天线板(Antenna board)

Starlink Internet Kit 的天线板包含互联网系统的主要通信技术,包括:

1、ST Microelectronics 的卫星无线电接收器(A satellite radio receiver from ST Microelectronics)

2、MPS 的电源管理、降压转换器和终端稳压器(Power management, step-down converters and termination regulators from MPS)

3、Texas Instruments 的 DC/DC 转换器、分流监视器和单个轨到轨运算放大器(Texas Instruments’ DC/DC converter, shunt monitor and single rail-to-rail operational amplifier)

4、ST Microelectronics 的时钟分配和六轴 MEMS 加速度计和陀螺仪(Clock distribution and six-axis MEMS accelerometer and gyroscope from ST Microelectronics)

5、安森美半导体 的 100V N 沟道功率 MOSFET(On Semiconductor’s 100V N-channel power MOSFET)

6、Analog Devices 的轨到轨放大器和 300mA 可调 LDO 稳压器(Analog Devices’ rail-to-rail amplifier and 300mA adjustable LDO regulator)

7、金士顿 DDR3 DRAM 和 4GB MLC NAND 闪存(DDR3 DRAM and 4GB MLC NAND flash memory from Kingston)

Starlink Internet Kit 内部组件的拆解。

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主板制造信息

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角部带天线元件的 GPS,全球定位系统(可能ST Micro STA8089)

https://www.st.com/resource/en/datasheet/sta8089gat.pdf
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片上系统 (SoC) 和 EMMC,位于黑色散热器下方

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以太网连接器,看起来与 V2 相同

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时钟,与 V2 相同

Beamfomers,与 V2 相同(GLLBSUABBBA,这似乎是 SpaceX 定制的)

射频芯片(放大器?)

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VGA连接器

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拆开密封片图

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路由器部分

该装置由 MediaTek 的双核 Cortex-A7 处理器和 Micron Technology 的内存提供支持。以下是对2020 年 FCC 文件的补充“同时传输”测试报告部分揭示了 Starlink Wi-Fi 路由器的技术规格。(图片来源:FCC)

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二、电源板

SpaceX Satellite Internet Kit 的电源板具有电路保护电子元件等。

Starlink Internet Kit 电源板包括 Infineon 的功率 MOSFET、MPS 的多模式 PFC 和电流模式 LLC 控制器以及 Diodes Inc 的分流稳压器。

The Starlink Internet Kit power board includes power MOSFETs from Infineon, multi-mode PFC and current mode LLC controller from MPS and a shunt regulator from Diodes Inc.

天线板包含大量电子元件,用于运行带有 MEMS 传感器、闪存等的卫星互联网宽带技术。

The antenna board contains a large sway of electronic components for operation of satellite internet broadband technologies with MEMS sensors, flash memory and much more. 

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三、路由主板

Starlink Internet Kit 的主板包含运行互联网系统所需的电子元件,主要包括:

1、联发科的网络处理器(MediaTek’s network processor)联发科 1.25 GHz 双核 Cortex-A7

2、安森美半导体的双运算放大器(On Semiconductor’s dual operational amplifier)

3、Micron 的 DDRL SDRAM 内存(Micron’s DDRL SDRAM memory)

4、ST Microelectronics 的 DC/DC 转换器(ST Microelectronics’ DC/DC converter)

5、Silego 的可编程混合信号阵列(Silego’s programmable mixed-signal array)

6、华邦的SLC NAND闪存(Winbond’s SLC NAND flash memory)

7、Micro Commercial Components’ P-channel MOSFET

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下面八份专利文件非常详细地讨论了 Starlink 碟形天线设备的技术和硬件特点:

1、激光穿孔金属蜂窝材料 ”描述了穿孔金属蜂窝结构。穿孔金属蜂窝结构可包括具有多个激光钻孔的金属蜂窝结构,其中多个孔中的至少一些孔在第二、第二、孔之间的形状和/或间距。在另一个实施例中,穿孔金属蜂窝结构可包括蜂窝结构中六角形单元之间的单元间孔阵列。单元间孔阵列可包括至少第一孔和第二孔,其中第一和第二个孔彼此不同,”SpaceX 在 2020 年 3 月 19 日发布的第一个 Starlink 专利中写道。

2具有天线间隔物的天线装置“在本公开的一个实施例中,天线组件包括贴片天线阵列,该天线阵列包括上贴片天线层、下贴片天线层和它们之间的间隔物,其中间隔物包括由定义的多个孔径单元壁,其中每个孔径与贴片天线阵列的上部贴片天线元件和下部专利天线元件对齐,”SpaceX 在新发布的名为“具有天线间隔的天线装置”的专利文件的介绍中写道,该文件已提交2020 年 6 月,并由该机构今天与以下文件一起发布。

3、具有粘合剂耦合的天线装置 “在本公开的一个实施例中,天线组件包括限定天线组件的多个层,该天线组件包括多个PCB层和多个非PCB层,天线组件具有顶表面和底面,以及 PCB 层和非 PCB 层之间的粘合剂耦合,”SpaceX 在另一份文件中写道。

4、具有底盘部分的天线装置 “在本公开的一个实施例中,具有限定天线孔径的多个天线元件的天线系统的外壳包括底盘部分,该底盘部分具有用于多个天线元件的内部组件的内部支撑部分,包括用于将天线堆叠组件粘合到底盘部分的粘合部分,以及配置用于耦合到底盘部分以定义内部底盘腔室的天线罩部分。

5具有紧固件系统的天线装置 “在本公开的一个实施例中,用于天线装置的外壳组件包括天线罩部分、下部外壳部分和紧固件系统,该紧固件系统被配置为耦合天线罩部分和下部外壳部分,可耦合以形成天线组件的天线组件的内部隔间。”

6具有天线罩间距的天线装置  “在本公开的一个实施例中,具有限定天线孔径的多个天线元件的天线系统的外壳包括底盘部分,以及被配置为耦合到底盘部分以限定内部的天线罩部分。底盘室,天线罩部分具有平坦的顶面,其中天线罩部分被配置为在平坦的顶面与定义天线孔径的多个天线元件中的每一个的顶面之间具有相等的间距。

7具有散热特征的天线装置 “在本公开的一个实施例中,天线装置包括外壳组件,外壳组件包括天线罩部分和下外壳部分,其中天线罩部分和下外壳部分可耦合以形成用于容纳天线的内隔室天线组件的组件、布置在内隔室内的天线堆叠组件,其中天线堆叠组件在运行时产生热量,以及内隔室内的传热系统,其配置为促进热量流向天线罩部分。

8用于与卫星系统通信的倾斜地基天线系统和倾斜方法 “在本公开的一个实施例中,卫星通信系统包括卫星星座,该卫星星座包括非地球同步轨道(非 GEO)中的多个卫星,其中多个卫星中的至少一些在第一轨道路径中以第一倾角,以及具有基于地球的地理位置的端点终端,该端点终端具有定义与卫星星座通信的关注领域的天线系统,其中该关注领域是有限的关注领域,其中视野从非倾斜位置倾斜到倾斜位置,其中倾斜位置的倾斜角度是地理位置纬度的函数,”该文件的介绍中写道。

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以下为参考文档,便于后面研究相控阵天线

1、https://electronics360.globalspec.com/article/19027/techinsights-teardown-spacex-starlink-internet-kit

2、TechInsights Teardown: SpaceX Starlink Internet Kit 

3、https://danmurray.net/2022/03/19/dishy-v3-teardown/

4、GPS https://www.st.com/resource/en/datasheet/sta8089gat.pdf

5、Starlink(星链)天线专利

天线(例如偶极子天线)通常以具有优选方向的图案产生辐射。例如,所产生的辐射方向图在某些方向上更强而在其它方向上较弱同样,当接收到电磁信号时,天线具有相同的优选方向。信号质量(例如,信噪比或信噪比),无论是在发射还是接收场景中,都可以通过将天线的优选方向与目标或信号源的方向对准来改善。然而,相对于目标或信号源对天线进行物理重新定向通常是不切实际的。此外,可能不知道源/目标的确切位置。为了克服上述天线的一些缺点,可以由一组天线单元组成相控阵天线来模拟大型定向天线。相控阵天线的优点是其能够在优选方向上发射和/或接收信号(例如,天线的波束形成能力),而无需物理重新定位或重新定向。
 
作为一组波前到达天线元件的输入射频(RF)信号可以由各个天线元件在彼此不同的时间检测。因此,来自RF源的相同信号可以包括从一个天线元件到另一个天线元件的相位偏移。相位偏移可以通过耦合到天线元件的移相器相对于同一基准进行调整,从而可以消除各个天线元件之间的相位偏移,并且可以构造性地和相干地组合在不同天线单元处接收到的信号。相位校正的RF信号可以被附加处理以导致接收信号具有高SNR。
 
天线元件和移相器(例如,移相器芯片)之间的信号可以通过在印刷电路板(pcb)上形成的轨迹进行路由。包括在相控阵天线系统中的移相器芯片的数量可以很大,特别是对于能够接收和/或发射多个波束的系统。定位相移器芯片(例如,表面安装在pcb上)和/或与pcb上的移相器芯片相关联的轨迹可能增加pcb的复杂性,例如包含大量路由层。根据记录道的布线方案,可能会产生相对较长的记录道长度,这反过来又会增加信号衰减、功耗和/或复杂性。
 
这些路由之间的电磁(EM)耦合也很难控制。此外,对于高频信号(例如,千兆赫兹(GHz)范围信号),寄生电容降低了截止频率,并限制了射频系统的带宽。因此,传统的相控阵天线在相对较窄的频带内工作,同时消耗相对较高的功率。
 
配置具有增加带宽的相控阵天线将是有利的,同时保持主瓣功率与副瓣功率的高比率。同样地,降低天线的重量,或者降低天线的制造成本。因此,本发明的实施例针对相位阵列天线或其部分的这些和其他改进。
 
提供此摘要是为了以简化形式介绍一系列概念,这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本摘要并不旨在识别所要求保护的标的的的关键特征,也不打算用于帮助确定所要求保护的标的的的范围。
 
大多数相控阵天线需要大量的移相器元件来控制由单个天线单元接收或发射的信号的相位,以控制波束形成的角度。在本发明的一些实施例中,可以在集成电路(IC)芯片(例如,半导体芯片)上构建多个移相器阵列。因此,可以降低相控阵天线系统的成本、尺寸、面积、复杂度和功率要求。例如,本发明可以实现为用于多波束接收元件(例如,M×N阵列)的二维(2-D)天线阵列。在一些实施例中,天线阵列可以是一维(1-D)(例如,M=1或N=1)。由于多个移相器可以构建在一个芯片上,因此芯片封装的成本、尺寸和重量也可以降低。此外,与传统技术中基于印刷电路板(PCB)的信号路由相比,包括在移相器之间分配RF信号的信号路由(例如,跟踪路由)可以至少部分地在芯片上实现。在一些实施例中,可以将每个包括多个移相器的多个芯片组合成一个相控阵天线系统。
 
在一些集成电路芯片设计中,寄生电容可能会限制传输信号的频率,因为截止频率太低,特别是对于千兆赫兹(GHz)范围的信号。在本发明的一些实施例中,寄生电容可由内置在IC芯片上的分立电感器或由IC的导电迹线的电感吸收。在一些实施例中,IC芯片的输入和/或输出可由最佳可调谐电阻器和/或巴伦变压器终止,以实现更好的阻抗匹配(从而传输最佳功率)并减少来自较低反射RF波的噪声。在一些实施例中,一种设备包括二维(2-D)移相器阵列,所述移相器包括第一复数个移相器和第二多个移相器,其中所述第一多个移相器布置在所述二维移相器阵列的第一方向上,其中,所述第一多个移相器电耦合到第一射频(RF)输入。所述第二复数个移相器布置在所述2-D移相器阵列的第二方向上,并且其中所述第二复数个移相器电耦合到第一射频(RF)输出。第一和第二方向相互交叉。
 
在一些实施例中,用于相控阵波束形成的方法包括接收第一射频(RF)输入信号;通过第一多个移相器将第一RF输入信号相移到第一多个相移RF信号;以及接收第二RF输入信号。该方法还包括通过第二多个移相器将第二RF输入信号相移为第二多个相移RF信号;将来自第一多个相移RF信号的第一相移RF信号与来自第二多个相移RF信号的第一相移RF信号相结合将来自第一多个相移RF信号的第二相移RF信号与来自第二多个相移RF信号的第二相移RF信号组合成第二RF输出信号。所述第一和第二复数相移器布置在半导体芯片上的二维(2-D)阵列中,并且其中所述半导体芯片包括电耦合到所述移相器的二维阵列的电感器的二维阵列。
 
在一些实施例中,一种装置包括一个二维(2-D)的电气元件阵列,包括第一多个电元件和第二多个电元件。所述第一复数个电元件布置在所述二维电元件阵列的第一方向上,并且所述第一复数个电元件电耦合至第一射频(RF)输入。所述第二复数个电元件布置在所述二维电元件阵列的第二方向上,并且所述第二复数个电元件电耦合至第一射频(RF)输出。第一个方向和第二个方向相交。
对于Starlink系统,有三大核心挑战:
1. 在卫星和地面终端上使用有源相控阵天线,并保证足够的价格竞争力,这是关键中的关键。
2. 困难留给自己,简单留给客户。从购买开箱到提供服务,整个过程实现“plug and play”的极致用户体验,极大地提升LEO卫星星座通信服务的使用体验。
3. 全自动化管理这个全球最大的卫星星座系统,包括自主轨道管理、碰撞避让、软件与状态更新等。

目前Starlink dish地面终端售价499美元,XPHASED依托Ken Keiter的Starlink dish拆机视频,对该相控阵天线进行技术分析猜想,看看Elon Musk是如何解决第一个核心挑战的。

下图是Starlink dish的内部相控阵天线的芯片侧照片,可以说是最重要的图。

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(Starlink dish内部相控阵天线)

我们对板卡上各部分功能区域进行了编号,其功能描述如下:
1. 时钟相关电路
2. 基带部分,包含波控和应用单元的功能,集成度很高
3. POE电源电路
4. 接插件,一个用来驱动两个电机,一个连接外部路由器的POE网口
5. 电机驱动电路
6. 分布在板卡四周的电源,主要给板卡中间的射频芯片供电
7. GPS电路
其他区域. 即板卡中间的大面积规则重复电路,均为射频芯片电路。

Part 2
通道数量


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(射频前端芯片布局)

从上图可以看出,射频电路由两种芯片组成,暂且称为大芯片和小芯片,其对应数量关系为1:8,大芯片一共有79颗,小芯片一共632颗。
对于这两个芯片的功能,我们猜测大芯片是多通道的beamformer芯片,小芯片是射频前端芯片,后面会对此进行详细分析。
图中小芯片行间距与列间距不一样,行间距大概是列间距的两倍,猜测是1拖2的方式(可以认为是一种稀疏布阵方式),即1个小芯片(射频通道)对应2个天线辐射单元,主要是能够减少有源通道数量,最终降低成本。

我们之所以有这样的猜想,主要是考虑到LEO卫星系统的特殊性,以及dish本身的工作模式——dish开机后,由两个电机调整相控阵天线阵面的方位和俯仰角度,使其对准目标轨道面。如果dish终端在目标卫星轨道面的地面垂直投影区域内,则相控阵天线朝向正上方,只需要一个方向上(如上图中的水平方向)扫描±50°左右即可实现稳定的跟踪通信;如果dish终端与卫星轨道面不在该投影区域内,则相控阵天线需要调整俯仰和方位角度,这时候除了一个方向±50°的波束扫描能力外,还需要在另一个方向(如上图中的垂直方向)上具备±10°左右的波束扫描能力。

总之,结合dish的电机调整,相控阵天线并不需要完全的全二维波束扫描,在某一个方向上只需要小角度扫描即可。这种工作模式避免了1拖2带来的垂直方向大角度扫描时的栅瓣问题,同时能够将相控阵天线的有源通道数量减少一半,大大降低了生产成本。按照1拖2的设想,那么总共有效的天线单元数量为1264。

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(Ken Keiter的天线阵元数量评估)

Ken Keiter数的天线面单元数量,总共1465个单元,但是结合到芯片面照片,外围有一圈区域被其他功能电路(电源、基带等)占据,因此实际有效的天线单元数量肯定少于1465,1264个天线单元数量是比较合理的估计。

Part 3
射频有源通道

我们从公开信息了解到,Starlink dish的核心性能大致是EIRP@P-1=42dBW,G/T=9dB/K。假设每个天线单元增益为4dB,一共1264个天线单元,每个天线单元的发射有源射频通道输出功率只需要6dBm,每个通道的LNA的噪声系数控制在3dB即可(dish工作时对空的背景噪声温度以80K计算)。

结合dish的散热设计(大芯片有散热膜,小芯片无任何散热措施),并考虑到射频开关对噪声系数的恶化影响,因此我们认为小芯片只是LNA,大芯片带有PA和收发相位调整的功能。由于LNA和PA分属两个芯片物理实体,因此大概率LNA和PA都分别有天线馈电口,没有射频开关(射频开关会恶化噪声系数)切换收发信号,而是依靠精准快速控制LNA和PA使能(或者电源)来控制收发状态。

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(Starlink相控阵天线专利截图)

假设小芯片只是LNA封装芯片,NF<3dB,有可能使用SOI、GeSi、甚至RF CMOS工艺,根据我们在XPHASED多年的毫米波射频芯片设计经验和数据,估计小芯片的功耗在20~30mW,确实不需要散热措施。

假设大芯片集成了8通道PA、收发移相器、控制接口等功能电路,其中主要功耗是8通道PA。对于单通道(一拖二,对应2个天线单元)PA来说,考虑到功分/传输线损失(1dB计),以及线性回退要求(低轨星座的通信信号调制可能比较高阶,对线性度有一定要求,按回退3dB估算),其P-1点输出功率至少需要达到13dBm。从输出功率量级和芯片成本角度考虑,大芯片大概率采用RF CMOS工艺,预估其工作时效率大概在10%到15%。

Part 4
工作模式猜想

Starlink dish采用POE供电,因此总功耗必然很低,有报道国外网友实测Starlink终端总功耗在100W左右,扣除终端中路由器、dish中modem等功能的功耗,相控阵天线的功耗应该小于100W。

对于采用类似技术路线的卫通有源相控阵天线,要实现42dBW,9dB/k的性能,几乎不可能达到这么小的功耗。考虑到Starlink系统的高度定制化和垂直产业链整合,结合Elon Musk的“第一性原理”风格,其整个系统架构应该是精心优化,很有可能不同于传统的卫星通信体制。如果跳出DVB-S的框架限制,认为最有可能兼顾性能和功耗的手段,就是TDD模式,即单个终端收发状态分时、不同终端分时与卫星(主站)通信,并辅之以严格精准的电源管理

之所以有这样的猜想,是因为单个地面卫星终端实际上不可能一直和卫星保持通信状态。对于当前主流的DVB-S体制也是如此,前向链路采用TDM,返向链路采用MF-TDMA,但是modem和有源天线(或者BUC/LNB)没有进行严格的同步,导致有源射频电路一直打开,只有少部分时间处于真正的通信状态,大部分时间的能量都被浪费掉了

根据前期其他媒体对Starlink星座系统的分析(参见“Starlink卫星/终端天线及星地链路协议探讨”),见下图,其下行速率最大可达822.5Mbps(国内银河航天单终端峰值通信速率为900Mbps,性能类似,参见“银河航天、信通院、华力创通联手完成5G信号上星试验”)。从目前报道来看,Starlink终端下行速率普遍在100Mbps左右,上行速率在20Mbps左右,即只占单个载波峰值速率的1/4,必然存在多个终端共享这整个载波的通信带宽。如果Starlink采用类似地面蜂窝无线系统的分时接入策略,配合严格的电源管理,是可以同时取得类似于手机的高通信性能和低功耗的,同时也能够极大降低散热设计难度,实现轻薄的整体效果。

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(Starlink系统速率评估)

在上述分析假设的基础上,以下表举例说明:

  对于卫星来说,一个完整周期,时间100%

终端划分

UT1#

UT2#

UT3#

UT4#

时隙划分

UP

DOWN

UP

DOWN

UP

DOWN

UP

DOWN

时隙占比

5%

20%

5%

20%

5%

20%

5%

20%


在上表的情况下,一个LEO卫星同时支持4个地面终端,对于一个地面终端来说,其发射射频通道工作时间只占5%,接收射频通道工作时间只占20%,可以极大地降低功耗。当然,对于终端来说,实际上行通信时间占比5%,但需要先于卫星提前打开射频通道做好准备,后于卫星关闭射频通道,因此按照9%来计算;下行链路同理,从理论的20%占空比提高到24%。目前XPHASED圆极化ku频段有源相控阵天线达到Starlink dish同等性能,大致需要200W功耗,如果按照上面例子中的工作体制,预计能够下降到75W。

值得注意的是,该模式的难点在于星地系统的高精度时间同步。但目前已有不少技术可以借鉴,如IEEE 1588-2019,也就是PTPv2.1,可以实现亚ns级的时间同步(主要是用在以太网,但应该可以移植到卫星信道)。也可以将卫星和多个地面终端看做是一对多定向数据链,移植其目前较为成熟的导频同步技术。

此猜想仅为抛砖引玉,期待业内专家的详细分析。

Part 5
馈电网络与变频

对于dish的馈电网络和变频,我们关注到几个特殊的现象:

1. 并没有看到单独的功分网络
功分网络有可能是走在中间层,但不太会有埋阻(成本太高),也有可能是Satixfy的数字架构,在数字域进行功分功合,但功耗太大,也不太可能。

2. 没有看到驱动芯片
由于整个dish尺寸很大,没有驱动芯片,意味着要么是末级芯片的增益很高,要么是馈电线路的损耗很低。

3. 没有看到明确的变频电路
变频电路有可能是dish正中间的时钟相关电路。
 
对此,我们猜测有两种可能性:

1. dish正中间的电路是定制化的变频芯片,大芯片出来的信号是Ku频段射频信号,功分网络工作在Ku频段,走线在PCB中间层,功分器不带隔离。该方案的好处是架构成熟,变频电路只有一套,劣势是射频信号损耗大,对板材的信号插损有一定要求,对变频器输出的射频信号功率有较高的要求。

2. dish的大芯片集成了变频功能,时钟信号由dish正中间的电路是60MHz时钟驱动芯片,将时钟分发到每一个大芯片;大芯片出来的信号是中频(可能为L频段),功分网络工作在中频信号,走线在PCB中间层,功分器不带隔离。该方案的好处是损耗小,对板材要求低,容易降成本,不需要大功率驱动,劣势是属于分布式变频架构,各变频需要同频同相,除了中频信号网络外,还需要增加了一套额外时钟分配网络。

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(意法半导体关于多芯片间时间同步的专利截图)

根据外媒报道,Starlink支付了24亿美元向意法半导体公司定制芯片并生产100万套终端设备,对此我们专门研究了意法半导体的相关专利,其中一篇专利(WO2020231889A1)对相控阵天线中的多芯片时间同步进行了详细描述,结合到dish正中间的电路没有任何散热措施,因此更倾向于可能性2

Part 6
总结

本文有两大假设:

一、利用电机调整dish指向确保相控阵天线工作在最佳性能状态的前提下,结合LEO星座和地面固定站使用模式的特点,降低了相控阵天线在其中一个方向的扫描角度要求,有源射频通道数量比天线辐射单元减少了一半,极大地降低了成本

二、Starlink采用了类地面蜂窝无线系统的TDD架构,并配备了严格精细的电源管理,从而实现了更加精准的通信能量利用率。其根本原因在于目前主流的DVB-S(Digital Video Broadcasting - Satellite)架构是从最初的同步轨道卫星单向广播电视体制演化而来,在此基础上后期增加了上下行双向交互功能。低轨卫星的轨道高度低、延迟低、系统容量大,针对高轨广播业务的DVB-S体制可能已经不是最优解了,如果能在通信体制架构上创新,困扰产业链的具体难题或许能够迎刃而解。

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Starlink dish包含了Ku频段收发天线、变频、GPS、modem、电源、电机控制等各个部分,相当于一个传统的卫通整机,定制化和集成度相当高,每一个设计细节都与其星座系统架构息息相关,没有一丝一毫浪费,做到了极致。

 
附图说明
当结合附图时,通过参考以下详细描述更好地理解本发明的上述方面和许多伴随优点将变得更容易理解,其中:
 

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1A示出了根据本公开的一个实施例的相控阵天线系统的电气配置的示意图,包括定义天线孔径的天线格、映射、波束形成器晶格、复用馈源网络、分配器或组合器以及调制器或解调器。
 

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1B示出了根据本发明的一个实施例的由相控阵天线孔径实现的信号辐射图案。
 

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1C示出了根据本发明实施例的相控阵天线的各个天线元件的示意性布局,以定义各种天线孔径(例如,矩形、圆形、空间锥形)。
 

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1D示出了根据本发明实施例的空间锥形配置中的各个天线元件,以定义天线孔径。
 
1E是定义图1D中的天线孔径的面板的横截面图。
 

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1F是天线信号的主瓣和不良副瓣的图。
 

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1G示出了根据本发明的一个实施例的构成相控阵天线系统的多个叠加层的等距图。
 

深入解刨星链StarLink二代终端,分析元器件评估制造成本


2是根据本发明实施例的相控阵天线的框图。
 

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3是根据本公开的实施例的图2的相控阵天线的一部分的详细视图。
 

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4是根据本公开的实施例的接收机的示意性布局。
 

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4A-4L是根据本发明实施例的输入/输出终端的示意图。
 

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5A和5B是根据本发明实施例的等效电路的示意图。
 

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6A是根据本发明实施例的半导体芯片的俯视图。
 

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6B是根据本发明实施例的图6A的半导体芯片的一部分的详细视图。
 

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7A-7C是根据本发明实施例的可选电感器配置的示意图。
 

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8示出了根据本公开的实施例的与分布式移相器阵列中的电感器电耦合的移相器的替代实现。
 

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9是根据本公开的一个实施例的S参数作为频率函数的图。
 

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10示出根据本公开的实施例的分布式阵列的替代实施例。
 
详细说明
本文描述与分布式相移有关的装置和方法的实施例。在实施例中,一种装置包括二维(2-D)移相器阵列,所述移相器包括第一复数个移相器和第二多个移相器。第一多个移相器布置在所述2-D移相器阵列的第一方向上,并且所述第一多个移相器电耦合到第一射频(RF)输入。所述第二复数个移相器布置在所述2-D移相器阵列的第二方向上,并且所述第二复数个移相器电耦合到第一射频(RF)输出。第一和第二方向相互交叉。下面将更全面地描述本发明的这些方面和其他方面。
 
虽然本发明的概念易受各种修改和替代形式的影响,但其具体实施例已通过附图中的示例示出,并将在本文中详细描述。然而,应当理解的是,并不打算将本发明的概念限定于所公开的特定形式,而是相反,其意图是涵盖与本公开和所附权利要求一致的所有修改、等价物和备选方案。
 
说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“说明性实施例”等的引用表示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特征,但是每个实施例可以或者不一定包括该特定特征、结构或特征。此外,这些短语不一定指同一实施例。此外,当结合实施例描述特定特征、结构或特征时,提交本领域技术人员所知的范围内,结合其他实施例影响该特征、结构或特征,无论是否明确描述。此外,应当理解的是,以“至少一个a、B和C”的形式包含在列表中的项目可以是(a);(B);(C);(a和B);(B和C);(a和C);或(a、B和C)。同样,以“A、B或C中至少一个”的形式列出的项目可以是(A);(B);(C);(A和B);(B和C);(A和C);或(A、B和C)。
 
本发明中诸如“顶面”、“底面”、“垂直面”、“水平面”和“侧边”之类的语言是为了参考附图为读者提供方向,而不是为了成为部件的所需方向或在权利要求中赋予方向限制。
 
在图纸中,一些结构或方法特征可以以特定的布置和/或顺序显示。但是,应当认识到,可能不需要这种具体的安排和/或命令。相反,在一些实施例中,这些特征可以不同于说明性附图中所示的方式和/或顺序排列。另外,在特定图中包含结构或方法特征并不意味着在所有实施例中都需要该特征,并且在一些实施例中,它可以不包括或者可以与其他特征组合。
 
本文所描述的技术的许多实施例可以采取计算机或控制器可执行指令的形式,包括由可编程计算机或控制器执行的例程。相关领域的技术人员将理解,可以在上述示出和描述的计算机/控制器系统之外的计算机/控制器系统上实施该技术。该技术可以体现在专用计算机、控制器或数据处理器中,该专用计算机、控制器或数据处理器被专门编程、配置或构造成执行上述一个或多个计算机可执行指令。因此,本文中通常使用的术语“计算机”和“控制器”是指任何数据处理器,并且可以包括互联网设备和手持设备(包括掌上电脑、可穿戴计算机、蜂窝或移动电话、多处理器系统、基于处理器或可编程消费电子产品、网络计算机,微型计算机等)。这些计算机处理的信息可以在任何合适的显示介质上显示,包括CRT显示器或LCD。
 
1A是根据本发明实施例的相控阵天线系统100的示意图。相控阵天线系统100被设计和配置成在优选方向D从天线孔径110发射或接收由信号S(也称为电磁信号、波前等)组成的组合波束B。(另请参见图1B中的组合波束B和天线孔径110)。波束B的方向D可以垂直于天线孔径110或在
Z = L C  [ 1 - ( ω ω c ) 2 ]
 
式中,ωc=2/√{平方根除以(LC)}是截止频率,假设是无损集中传输线。传输线阻抗的其他模型在本发明的范围内,例如π模型或基于m导出截面的模型。在一些实施例中,只要RF信号的频率低于对应于ωc的截止频率,就可以认为芯片400内的RF信号的传输是宽带的。
 
在阵列上实现的伪传输线可引起作为等效L和寄生C的函数的相位延迟。该相位延迟可由移相器220补偿,方法是将附加相位延迟加/减去与移相器名义上相关联的所需相移,以便一致地在输出端合并接收到的信号。
 
根据离散电感器/电感器线的质量因数(Q)和信号的频率,由于电阻损耗、衬底损耗、涡流和/或趋肤效应和邻近效应,阵列中可能会引入一些信号损耗。为了补偿这些损失,信号可以相应地放大。例如,可以使用移相器220的增益调谐能力来补偿至少一些损耗。在一些实施例中,移相器的增益调谐可通过例如对可变增益放大器(VGA)I/Q矢量调制器移相器进行反向偏置来实现。在其他实施例中,可以通过向阵列(未示出)添加衰减器来管理损耗。
 
以这种方式,在紧凑平面区域中实现的分布式体系结构中,作为RF信号的输入可以沿行分割并组合(在诸如相移之类的适当处理之后)。在不降低信号质量或工作参数的情况下,可以避免增加所需空间的记录道长度匹配或其他技术。
 
在一些实施例中,输入1-M和输出1-N的终端可以包括终端组件,如图所示。终端组件的示例可包括但不限于终端电阻器240、终端变压器242、终端240i等。例如,输出1可以包括一端的终端电阻器240和另一端的终端变压器242。终端电阻器240可以包括可变电阻器。终端变压器242可以包括在单端分布式阵列中使用的单端变压器(如图4所示),并且配置为提供阻抗变换和/或阻抗匹配(或至少改进阻抗变换和/或阻抗匹配)。阻抗匹配可以改进/匹配与线路相关联的不同阻抗,从而降低IC芯片400中反射的RF波的强度。
 
如果图4的分布式阵列配置有差分输出,则继续上述与输出1相关联的终端的示例,则可将终端变压器242替换为如图4A所示的balun变压器244。balun变压器244可以配置为提供差分到单端转换(例如。,将差分线路转换为信号端线路),并提供阻抗变换和/或阻抗匹配(或至少改善阻抗变换和/或阻抗匹配)。
 
Balun变压器244可另外或可选地位于输入端。例如,输入可以是单端的,并且在LNA 215之前或者在LNA 215之后并且在移相器230-i-j的阵列之前被转换成差分线。输入balun变压器244也可以变换输入阻抗。
 
输入1-M和/或输出1-N的终止可以采取不同的形式。例如,终端可以是单端(共模)或差分。参考图讨论终端240i的示例。4A-4L以下。在一些实施例中,可以使用缓冲器217代替终端240i。
 
输入端1-M和/或输出端1-N中的至少一些的端接可以包括端接电阻器240(Rterm),该端接电阻器可以是可调谐电阻器,以改善例如IC芯片400中的迹线45的制造公差和/或寄生电容,以改善迹线阻抗的均匀性。在一些实施例中,可调谐终端电阻器可以是场发射晶体管(fet)组或数模转换器(dac)和fet的组合。可调电阻终端可在迹线45中引入额外电容。因此,在一些实施例中,可以将半单元(线路两端的L/2块)修改为具有L/2+L1的电感以吸收该额外电容,从而将跟踪阻抗保持在或接近其设计值(Z)。在一些实施例中,IC芯片400可包括用于在截止频率处改进匹配控制的电容器
 
1一种仪器,包括:
 
二维(2-D)移相器阵列,包括第一复数个移相器和第二多个移相器,
 
其中,所述第一复数个移相器布置在所述2-D移相器阵列的第一方向上,并且其中所述第一多个移相器电耦合到第一射频(RF)输入,
 
其中,所述第二复数个移相器布置在所述二维移相器阵列的第二方向上,并且其中所述第二复数个移相器电耦合到第一射频(RF)输出,并且
 
其中第一和第二方向彼此相交。
 
2实施例1的装置,其中所述二维移相器阵列包括第三复数个移相器和第四个复数个移相器,
 
其中所述第三复数个移相器布置在与所述第一方向平行的所述二维移相器阵列的第三方向上,并且其中所述第三复数个移相器电耦合到第三RF输入,
 
其中,所述第四复数个移相器布置在与所述第二方向平行的所述二维移相器阵列的第四方向上,并且其中所述第四复数个移相器电耦合到第二RF输出,
 
其中第三方向与第二和第四方向相交,并且
 
其中第四方向与第一和第三方向相交。
 
三。实施例1-2中任何一个的装置,其中第一和第三方向中的一个或两个是彼此相反的信号遍历方向,并且第二和第四方向彼此是相反的信号遍历方向。
 
4exampes 1-3中任何一种的装置,其中移相器的二维阵列布置在单个半导体芯片上。
 
5exampes 1-4中任何一个的装置,还包括:二维电感器阵列,其中该二维电感器阵列的每个电感器电耦合到该二维移相器阵列的相应移相器。
 
6exampes 1-5中任何一个的装置,其中所述2-D阵列的至少一个电感器包括半导体芯片的一个或多个迹线。
 
7exampe1-6中任一个的装置,其中所述2-D电感器阵列的至少一个电感器包括可调谐或可变电感器。
 
8exampes 1-7中任何一个的装置,其中所述二维电感器阵列的至少一个电感器具有矩形、八角形、圆形、椭圆形、螺旋形、几何形状、非几何形状或由迹线构成的形状。
 
9exampe1-8中任何一个的装置,其中所述2-D电感器阵列的至少一个电感器在第一侧具有多个输入,在第二侧具有多个输出。
 
10exampes 1-9中任何一个的装置,其中与至少一个电感器相关联的电感可通过改变至少一个电感器的长度、宽度(D1)和高度(D2)中的一个或多个来调节。
 
11exampes 1-10中任一种的装置,其中所述半导体芯片包括多个8×8 2-D阵列。
 
12exampes 1-11中任一种的装置,其中所述半导体芯片包括多个24×24二维阵列。
 
13exampes 1-12中任一种的装置,其中所述移相器的二维阵列包括差分二维阵列。
 
14exampes 1-13中任一种的装置,其中所述移相器的二维阵列包括单端二维阵列。
 
15exampe1-14中任何一个的装置,其中所述二维移相器阵列包括单端移相器和差分端移相器。
 
16exampes 1-15中任何一个的装置,还包括:
 
电耦合到第一多个移相器的第一可调谐终端;和
 
电耦合到第二多个移相器的第二可调谐终端。
 
17exampe1-16中任何一个的装置,其中第一可调谐终端是可调谐或可变电阻器。
 
18exampes 1-17中任何一个的装置,其中所述第二可调谐终端是位于所述第二多个移相器的一侧上的巴伦变压器,并且进一步包括位于所述第二多个相移器的与所述一侧相对的一侧的第四可调终端,其中,第四可调谐终端是可调谐电阻器。
 
19exampes 1-18中任何一个的装置,其中所述第一可调谐终端是终端变压器,所述终端变压器包括位于所述第一多个移相器的一侧的电感器和可调谐电容器的组合,并且进一步包括位于所述第一多个相移器的相对侧的第三可调谐终端侧,其中第三可调谐终端是可调谐电阻器。
 
20exampe1-19中任何一个的装置,其中第一和第二可调谐终端是单端的。
 
21exampe1-20中任何一个的装置,其中第一和第二可调谐终端为差分端。
 
22exampe1-21中任一个的装置,还包括连接到第一多个移相器的低噪声放大器(LNA)。
 
23exampes 1-22中任何一个的装置,其中所述第一可调谐终端连接到所述第一多个移相器的一侧上的LNA,并且进一步包括连接到与所述一侧相对的第一多个移相器的一侧的第三可调谐终端。
 
24exampes 1-23中任何一个的装置,其中第二可调谐终端连接到第二多个移相器的一侧,并且进一步包括第四可调谐终端,所述第四可调谐终端连接到与所述一侧相对的第二多个移相器的一侧。
 
25exampes 1-24中任何一个的设备,还包括连接到LNA的天线元件,并且其中移相器的二维阵列和LNA包括在半导体芯片中,并且天线元件被排除在半导体芯片之外。
 
26exampes 1-25中任何一个的装置,还包括:
 
电耦合到第一多个移相器的第一缓冲器;和
 
电耦合到第二多个移相器的第二缓冲器。
 
27exampe1-26中任何一个的装置,其中所述移相器的二维阵列的至少一个移相器是增益可调谐的。
 
28exampes 1-27中任何一个的装置,其中,相移器的二维阵列的移相器是矢量调制器移相器。
 
29exampe1-28中任何一个的装置,其中移相器的二维阵列包括在相控天线阵列系统的接收器中。
 
30其中,所述发射机的任何移相阵列包括在所述发射机2的移相阵列中。
 
31exampes 1-30中任何一个的装置,其中移相器的二维阵列布置在多个天线元件和多路馈源网络之间。
 
32一种相控阵波束形成方法,该方法包括:
 
接收第一射频(RF)输入信号;
 
通过第一多个移相器将第一RF输入信号移相到第一多个相移RF信号;
 
接收第二射频输入信号;
 
通过第二多个移相器将第二RF输入信号移相到第二多个相移RF信号;
 
将来自第一多个相移RF信号的第一相移RF信号与来自第二多个相移RF信号的第一相移RF信号组合成第一RF输出信号;以及
 
将来自第一多个相移RF信号的第二相移RF信号与来自第二多个相移RF信号的第二相移RF信号组合成第二RF输出信号,
 
其中,所述第一和第二复数相移器布置在半导体芯片上的二维(2-D)阵列中,并且其中所述半导体芯片包括电耦合到所述移相器的二维阵列的电感器的二维阵列。
 
33实施例32的方法,其中移相器的第一复数和第二复数的移相器是增益可调谐的。
 
34实施例32-33中任一实施例的方法,其中所述半导体芯片包括接收器或接收器的一部分。
 
35实施例32-34中任何一个的方法,其中接收第一RF输入信号包括从第一天线接收第一RF输入信号,其中接收第二RF输入信号包括从与第一天线不同的第二天线接收第二RF输入信号,其中,第一RF输出信号与多个波束中的第一波束相关联。
 
36实施例32-35中任一实施例的方法,其中所述半导体芯片包括发射机或发射机的一部分。
 
37实施例32-36中任何一个的方法,其中接收第一和第二RF输入信号包括从调制器接收第一和第二RF输入信号,并且其中第一RF输出信号将由第一天线发射。
 
38实施例32-37中任一实施例的方法,其中所述电感的二维阵列的至少一个电感器是可调谐的。
 
39实施例32-38中任何一个的方法,其中所述2-D阵列的至少一个电感器包括包括在半导体芯片中并且被配置成电耦合一个或多个输入线、输出线、第一多个移相器和第二多个移相器中的一个或多个。
 
40实施例32-39中任何一个的方法,其中第一多个移相器的每个移相器与多个RF波束的各自RF波束相关联。
 
41一种仪器,包括:
 
包括第一复数个电元件和第二复数个电元件的二维(2-D)阵列,
 
其中,所述第一复数个电元件布置在所述二维电元件阵列的第一方向上,并且其中所述第一复数个电元件电耦合至第一射频(RF)输入,
 
其中,所述第二复数个电元件布置在所述二维电元件阵列的第二方向上,并且其中所述第二复数个电元件电耦合至第一射频(RF)输出,并且
 
其中第一和第二方向彼此相交。
 
42实施例2-31和41中任何一个的装置,其中所述二维电元件阵列包括第三多个电元件和第四多个电元件,
 
其中,所述第三复数个电元件布置在与所述第一方向平行的所述二维电元件阵列的第三个方向上,并且其中所述第三复数个电元件电耦合到第三RF输入,
 
其中,所述第四复数个电元件布置在与所述第二方向平行的所述二维电元件阵列的第四方向上,并且其中所述第四复数个电元件电耦合至第二RF输出,
 
其中第三方向与第二和第四方向相交,并且
 
其中第四方向与第一和第三方向相交。
 
43实施例2-31和41-42中任何一个的装置,其中第一和第三方向中的一个或两个是彼此相反的信号遍历方向,并且第二和第四方向彼此是相反的信号遍历方向。
 
44实施例2-31和41-43中任一个的装置,其中所述电气元件的二维阵列布置在单个半导体芯片上。
 
45实施例2-31和41-44中任何一个的装置,其进一步包括终端元件的二维阵列,其中终端元件的二维阵列的每个端接元件电耦合到该二维电元件阵列的相应电元件。
 
46实施例2-31和41-45中任一个的装置,其中所述电元件的二维阵列的每个电元件包括放大器、低噪声放大器(LNA)、功率放大器(PA)、滤波器、电感器、电容器、电阻器、有源电元件和无源电元件中的一个或多个。
 
47实施例2-31和41-46中任一个的装置,其中所述电元件的二维阵列的每个电元件包括移相器和有源电元件中的一个或多个。
 
48实施例2-31和41-47中任一个的装置,其中所述电元件的二维阵列的每个电元件包括导电迹线。
 

尽管为了描述的目的,本文中已经示出和描述了某些实施例,但是在不脱离本公开的范围的情况下,可以用为实现相同目的而计算的各种替代和/或等效实施例或实现来代替所示出和描述的实施例。本申请旨在涵盖本文讨论的实施例的任何调整或变化。因此,显而易见,这里描述的实施例仅受权利要求的限制。

将是Starlink内测/公测的重要方面,本文以Starlink星地链路为分析研究对象,重点关注如下两点:


(1)Starlink星地用户链路的性能分析,在结合星载4副相控阵天线、用户终端天线、频率/带宽/传输损耗等因素下,分析了终端的传输速率。


(2)Starlink星地用户链路的动态特性及切换性能,以当前在轨538颗卫星和预期第一阶段1584星为场景,分析终端与卫星间用户链路的指向变化、不同切换机制下的性能。

Starlink系统作为卫星互联网,网络主要节点包括卫星、关口站和终端,至于这张卫星互联网如何为终端提供服务、能提供什么质量的服务(容量、时延等),我们已在前述文章对此进行了讨论。区别于前述对整网容量、时延、覆盖等性能评估,本节重点讨论Starlink单星、终端侧的天线,并介绍Starlink公布的相控阵方案。


2.1 卫星侧天线


Starlink当前已发射9个批次共计538颗卫星(不含2018年2月发射的两颗试验星),除却第1次发射的V0.9 Demo版本,第2~9次发射的均为V1.0正式版本。根据资料,Demo版本Starlink卫星仅配备了星载Ku相控阵天线,而正式版本中在Ku基础上增加了Ka天线。


关于Starlink星载天线的资料,当前所能知道的并不多,而能确定的有如下三点:1-采用了星上相控阵天线,且为4副平板相控阵;2-相控阵天线支持对地Ku、Ka频率;3-在其申请的一份专利US20180241122透露的一些相控阵天线工作机理(部分文献中提出该专利是终端侧相控阵天线方案,至于星上能否用这套方案,我们会继续跟进也欢迎学者不吝赐教)。至于该4副相控阵天线具体平板尺寸大小、阵元个数及排列方式、可形成Ku/Ka波束个数及形状等内容,我们不得而知。尽管如此,我们通过对Starlink卫星硬件构造及4副相控阵平板进行了推敲,将一些基本事实和猜想也跟大家分享。


Starlink单星及相控阵平板相关尺寸如图1所示,图1左图即为Starlink单星平台图,可看出其主要包含4副相控阵平板天线、氪离子推进器、卫星跟踪装置、自动避撞系统及单翼太阳能帆板。


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图1 Starlink单星及相控阵平板示意图


受限于猎鹰9 Block 5火箭整流罩的尺寸(高13.1米,直径5.2米),再结合一箭60星的Starlink堆叠方式,估算Starlink单星尺寸厚度在0.3~0.4米左右,长宽尺寸方面一种可行的方案为4米*1.7米,具体长宽数值可能有所取舍,可如图1右侧两图所示。


结合Starlink卫星长宽大概范围,我们估算4副相控阵平板天线尺寸大概为0.7米左右,后续如有更新材料我们再进一步核实。至于此4副天线是否相同,现在看来应该可以进一步分为3类,其中平板1和平板2相同。至于,哪些是Ku、Ka,哪些是用户侧、馈电侧,是否区分点波束、宽波束等疑问,现在尚不能给出定论。


2.2 终端侧天线


作为面向全球服务的商用卫星互联网系统,终端侧性能、成本对于该服务能否“飞入寻常百姓家”至关重要。自2019.05.24第一批Starlink发射以来,关于用户终端的消息就陆续进入公众视野;近来,随着Starlink逐步开启系统测试,我们也得以了解了更多关于用户终端及天线的信息。


关于此反映出的若干信息有如下几点:


(1)天线具有一个电机,具有自动的机械调整能力。需知,此电机调整仅有一个方向的机械调整能力,基本上可以确定的是此电机调整仅用于调整俯仰角,终端可根据自身所处的经纬度地理位置自动调整俯仰角(如终端具备GPS定位及预置星历信息下即可自行调整)。


(2)终端采用圆形平板天线,直径0.48米左右,且采用相控阵实现收发信号的自动跟踪,可参考公布专利US20180241122内容。


(3)卫星信号进一步可转化为Wifi信号,且支持2.4/5GHz双频段常用的802.11制式。不过,当前仅能做到Wifi5(802.11 ac),尚不支持Wifi6(802.11 ax)。终端在Wifi接入侧相关信息如图3所示:

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图3 Starlink用户终端的Wifi接入功能参数相关信息


如图3所示,5GHz频段可支持802.11 ac,最大传输速率866.7Mbps,此速率在80MHz信道带宽和2x2传输模式下实现。至于尚不支持Wifi6,可以猜测是因为没必要去支持Wifi6,因为Starlink为每终端提供的星地用户侧速率有限,在采用常规802.11 ac时即可满足星地侧传输速率需求。后文将对Starlink星地用户链路传输速率进行分析,进一步验证此结论。


上述特点使得Starlink终端具备即插即用特性,极大降低了消费者尝试卫星互联网的使用门槛。在资费方面,先前公布的资料显示终端整体售价在200美元,月租80美元,与美国传统电信运营商如Verizon、T-Mobile、AT&T等月资费几十美元接近。


2.3 相控阵天线工作机制


相控阵天线区别于传统透镜或反射镜等固定天线,可通过数字域或模拟域的调幅调相,实现更为灵活和精准的天线辐射模式。根据用途的不同,可分为:空间分集以对抗衰落,波束成形以匹配业务需求,空间复用以提升传输效率等。


在Starlink卫星相控阵平板天线中,主要采用波束成形技术,实现面向单星覆盖范围下给指定区域业务提供高增益波束。终端侧圆形平板相控阵天线,通过波束成形技术产生自动跟踪接入卫星的能力,且在多波束情况下可支持同时与多颗卫星连接,为终端在不同星间切换时的无缝通信做保障。


结合SpaceX公布相控阵天线工作机理,其使用模式可由如下图4所示:


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图4 Starlink星载相控阵天线公布专利中实现机制


对收发端而言可采用同一套硬件平板结构,而在数字波束域进行不同信号处理。对于发送而言,可生成最多N个波束,即图中250-1到250-N所示,此N路信号经过相位控制因子、低噪放/功放、M个天线阵子完成收发。后续,将结合阵元排列、波束个数等做进一步分析。






三、Starlink星地链路协议探讨







3.1 星地链路传输速率分析


针对Starlink系统用户链路进行分析,结合卫星在轨高度、端星仰角、收发天线增益、接收模式等内容,对终端传输速率进行分析,给出一种终端可达速率为822.5Mbps的典型示例。


Starlink系统用户侧传输频率主要采用Ku频段,卫星到终端的下行链路10.7-12.7GHz,总可用带宽2GHz,单载波带宽250MHz;终端到卫星的上行链路14.0-14.5GHz,总可用带宽500MHz,单载波带宽125MHz。系统下行带宽2GHz可同时支持最少8个波束,在采用不同极化方式、空间复用(充分发挥4副星载相控阵天线优势)等情况下,则又可进一步提升可用波束的个数。上下行总体分析方法一致,不失一般性,后文以用户链路下行为研究分析对象。


对于单终端而言,其最大传输速率在单波束信号完全为其服务时达到,端星仰角为25度时的传输速率为822.5Mbps(也就可以回答为什么仅采用802.11 ac而未做Wifi6的问题了),具体传输速率与仰角、链路质量等有关。如下给出在纽约当地,链路可用度99%情况下传输速率分析,如表1所示:


表1 Starlink用户链路下行链路预算与传输速率分析

参数

载频(注1)

11.7 GHz

带宽

250 MHz

EIRP(注2)

36.7 dBW

星地距离(25度仰角)

1123.4 km

自由空间损耗

174.8 dB

99%系统可用度雨衰(纽约当地)

2.4 dB

其他损耗(注3)

1 dB

终端天线直径

0.48 m

终端天线增益(注4)

32.8 dBi

系统噪声温度

300 K

接收端载噪比C/N

11.2 dB

接收模型(注2)

DVB-S2X

滚降因子

0.1

频谱效率

3.29 bps/Hz

传输速率

822.5 Mbps

注1:载频取Starlink系统用户链路下行的中心频率;

注2:参考Telesat、OneWeb及SpaceX三个全球宽带低轨卫星星座系统的技术对比;

注3:其他损耗主要考虑大气衰减、插入损耗等;

注4:天线效率取0.55


3.2 星地链路动态性分析


Starlink作为低轨LEO星座网络,与高轨GEO卫星的对地静止不同,LEO卫星的在轨高速运动导致了星地链路动态变化、频繁切换问题。如前所述,Starlink用户终端采用具备机械调整能力的天线,前文中我们也指出此电机调整仅用于俯仰面,而终端对卫星的星地链路跟踪采用相控阵方案。本节目的在于分析星地链路动态性,以探究终端所需的跟踪调整能力,并对切换等移动性管理进行探讨。


为实现端星用户链路间高速传输速率需求,终端需对接入卫星实时跟踪,这使得星地链路的空间指向实时变化。对地面的用户终端而言,通常采用方位角、俯仰角来表示对卫星的空间指向,方位角定义为自正北顺时针旋转的角度,俯仰角定义为自水平面向上旋转的角度。星地用户链路方位角、俯仰角变化快慢如图5所示:


深入解刨星链StarLink二代终端,分析元器件评估制造成本

图5 Starlink星座纽约当地终端的用户链路动态变化率(左图方位角、右图俯仰角)


由图5可知,终端对Starlink卫星的跟踪随时间变化,且方位角变化率要远大于俯仰角,这主要是由于Starlink星座采用了53度倾斜轨道而导致。对终端而言,卫星更多表现为自西向东(或自东向西)的运动,相比而言俯仰角要小得多。方位角变化率最大为6.8 deg/s,也就是需要终端天线波束指向的动态跟踪能力支持6.8 deg/s。


在讨论完终端对星的跟踪后,一个重要的问题来了,什么问题呢?就是终端需要在不同星间切换的问题。


3.3 星地链路动态切换性能分析


由于终端头顶的Starlink卫星可能不止1颗,且所有头顶的卫星均在高速运动,这就使得星地频繁切换。至于端星如何切换,不同策略下对系统性能和复杂度均有不同侧重。如:终端始终与头顶处最大仰角的卫星连接,优点是信号质量好传输速率高,缺点是过于频繁地星间切换;终端始终保持一个卫星连接直到不可用时再切换,优点是最小化切换频率,缺点则是信号质量较差可能影响传输速率。


在终端采用最佳仰角接入策略下,终端与Starlink卫星的切换较频繁。结合当前在轨538颗Starlink卫星分布(数据参考时间:2020.07.18-2000),位于纽约处的终端对Starlink卫星接入与切换如下图6所示:


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图6 Starlink星座当前在轨卫星对纽约当地终端的服务情况(终端最佳仰角接入)


由图6可看出,当前Starlink卫星对纽约当地终端的接入服务仅能做到97.64%,尚未实现100%覆盖;单星对终端的平均服务时长为113 s,也意味着平均不到2 min就要切换至一颗新的卫星。中间的两张图分别为方位角俯仰角的变化,可看出在切换过程中会发生较大的空间指向变化。最底的图为终端对接入星的空间指向变化情况,在同一卫星服务期间空间指向变化很小,而在切换的时刻将发生非常大的空间指向变化,如空间上指向需支持近130 deg的调整。


作为对比,进一步分析最大接入时长策略下的切换性能。如图7所示:


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图7 Starlink星座当前在轨卫星对纽约当地终端的服务情况(终端最大接入时长)


由图7可看出,在采用最大接入时长情况下,单星对终端的平均服务时长为169 s,也意味着平均3 min左右要切换至一颗新的卫星。与最佳仰角接入/切换策略相比,可大幅降低切换的频繁程度,切换次数可降低33%。然而,终端与卫星的仰角要小于最佳仰角策略时的值。


进一步,以第一阶段1584颗Starlink卫星为分析场景。在最大仰角接入策略下,由于空间段卫星数量的增大,可能不足1s就要发生切换;平均也是不足1 min(具体为58 s)就要发生切换。尽管此策略可提供最佳的传输质量,然而切换过于频繁,并非是较优的策略。况且SpaceX最终的目标是部署近42000颗卫星,如果仅采用最佳仰角接入策略,可能几十个毫秒就要发生端星切换,这是很难接受的。该1584卫星场景及最佳仰角策略下的仿真结果如图8所示:


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图8 Starlink星座第一阶段1584卫星对纽约当地终端的服务情况(终端最佳仰角接入)


仍以第一阶段1584颗Starlink卫星为分析场景,在终端最大接入时长策略下,则可显著降低切换频繁程度。由原先平均不到1 min的切换频度,增加到平均3min才发生一次切换。具体如图9所示:


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图9 Starlink星座第一阶段1584卫星对纽约当地终端的服务情况(终端最大接入时长)

以Starlink星地链路为分析研究对象,通过本文研究主要可得出如下四点结论:


(1)分析Starlink卫星、用户终端硬件结构及天线,星载相控阵平板天线在0.7*0.7米左右,终端相控阵圆形平板天线直径0.48米左右,终端电机调整能力仅用于单维(俯仰面)的调整。


(2)结合Starlink星地用户链路频率、带宽、传输损耗、物理层DVB-S2X协议等因素,分析了单终端的传输速率;以纽约当地终端为例,在系统可用度99%情况下,终端速率为822.5 Mbps,猜测该因素也是用户终端Wifi侧采用866.7 Mbps传输速率的主要原因。


(3)Starlink星地用户链路的动态特性及切换机制,当前在轨538颗卫星在最佳仰角和最大接入时长情况下,平均每2min、3min便需发生切换;而第一阶段1584卫星场景下,最佳仰角接入策略则变为不到1min便需切换,最大接入时长仍为3min左右。


(4)Starlink星地用户链路的频繁切换,需终端对卫星具备快速跟踪调整能力。一个较理想的方式为终端具备不少于2个波束,可同时跟踪对准不同卫星,从而实现频繁切换下的无缝通信服务。

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  • 本文由 发表于 2023年3月25日10:45:12
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