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來(lái)源：Digi-Key 作者：Steven Keeping 衛星通訊正在轉向更高波段，以尋求提高帶寬和吞吐量。傳統 L（1 至 2 GHz）、C（4 至 8 GHz）和 X（7 至 11 GHz）波段的帶寬正快速耗盡，由于空域擁擠，設計人員將轉向 Ku 波段（12 至 18 GHz）及更高波段。在工程師追求更高衛星通訊性能的同時(shí)，商用運營(yíng)商也在推動(dòng)更輕、更緊湊的航天器。 
圖 1：地球軌道日漸擁擠，因此工程師正在考慮采用更高波段以避免其他衛星造成的干擾。（圖片來(lái)源：Knowles DLI） 衛星通訊系統的主要部件是用于廣播和接收射頻信號的天線(xiàn)陣列。該陣列中的每個(gè)元件都類(lèi)似于小型天線(xiàn)的作用。由于天線(xiàn)陣列的性能有較大提升，包括增益更高、信噪比 (SNR) 更佳、分集接收更強，因此在很大程度上已取代了傳統的拋物面衛星天線(xiàn)。其中增強分集接收有助于克服信號衰減。此外，天線(xiàn)輻射模式中的旁瓣更小，這有助于提高傳輸波束的可轉向性以及對特定方向輸入信號的靈敏度。 現代天線(xiàn)陣列利用相移來(lái)進(jìn)一步提升性能。以前，當衛星在軌道上移動(dòng)時(shí)，天線(xiàn)陣列必須進(jìn)行機械式重新調整，才能重定向波束傳輸�，F在，相控陣天線(xiàn)按照計算機計算的各天線(xiàn)元件之間的相差進(jìn)行傳輸，從而在單個(gè)元件的傳輸中產(chǎn)生相長(cháng)干涉，并增強特定方向的信號。 除了性能更佳，工作頻率提高和相控陣還使天線(xiàn)有可能變得更小更輕，從而有助于促進(jìn)減小通訊衛星的尺寸、重量和功耗 (“SWaP”)。 在相控天線(xiàn)陣列中，陣列元件的間距必須小于工作頻率波長(cháng)的一半。這主要是為了避免所謂的柵瓣，即天線(xiàn)傳輸模式中損耗功率的旁瓣。頻率越高，則波長(cháng)越短。例如，L 波段的中心波長(cháng)為 300 mm，Ku 波段的中心波長(cháng)為 20 mm，后者各元件之間的間距更小。并且，無(wú)需任何機械轉向系統，可進(jìn)一步減小了天線(xiàn)體積。 帶通濾波器：關(guān)鍵的衛星通訊組件 帶通濾波器可減少雜散信號，符合干擾合規性，并可最大限度地減少衛星通訊應用中的系統噪聲。在相控天線(xiàn)陣列中，這是一項艱巨的任務(wù)，因為空間有限，工作頻率高，并且需要精確濾波才能發(fā)揮衛星通訊系統的高速通信潛力。 工程師通常通過(guò)查看器件的 Q 值，來(lái)確定濾波器的性能如何。Q 值表示解決方案能在多大程度上阻止不需要的頻率并允許目標頻率通過(guò)。當相鄰通道靠近時(shí)，良好的選擇性至關(guān)重要，尤其是當設計人員試圖最大限度地利用可用帶寬時(shí)。 對于 Ku 波段的衛星通訊旁路濾波，有一些成熟的商用選擇。較好的選擇包括介質(zhì)波導、金屬波導、印刷電路板帶狀線(xiàn)、低溫共燒陶瓷 (LTCC) 和陶瓷薄膜微帶。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。例如，金屬波導是 70 GHz 以上頻率的最佳選擇，但體積大、價(jià)格貴；介質(zhì)波導結構緊湊，但只能在 30 GHz 以下工作，并且頻率容差（與所需頻率的偏差測值）相對較差。 陶瓷旁路濾波器上的薄膜微帶為 Ku 波段下工作的相控天線(xiàn)陣列提供了最佳的全方位解決方案。它們可以在非常高的頻率下工作（僅次于金屬波導），最佳頻率容差為 0.3% 至 0.5%（最高），尺寸小于下一個(gè)最小選件 (LTCC) 的一半，并且能夠直接集成在天線(xiàn)的陣列元件后面（連同印刷電路板帶狀線(xiàn)和 LTCC）。 材料科學(xué)來(lái)救場(chǎng) 電介質(zhì)的選擇對于陶瓷旁路濾波器上的微帶性能至關(guān)重要。通常緊湊型濾波器很難實(shí)現高 Q 值，但現代高介電常數 (“K”) 材料解決了這一挑戰。這些材料的缺點(diǎn)是頻率容差大——尤其是在溫度變化的情況下，但在真空中可承受的溫度變化范圍則較寬。 這就是 Knowles DLI 科學(xué)家們的研究領(lǐng)域。該公司在材料開(kāi)發(fā)方面有著(zhù)悠久的歷史，生產(chǎn)了用于陶瓷旁路濾波器微帶的電介質(zhì)，克服了高 K 電介質(zhì)的缺點(diǎn)。該公司利用這種材料制造了一系列緊湊型器件，工作溫度范圍寬，頻率容差小。這種電介質(zhì)還有一個(gè)好處，即功率損耗低，可提高效率并有助于保持溫度穩定。 例如，該系列濾波器中的 B148QF0S 15 GHz 帶通濾波器就適合在 Ku 波段工作。該器件尺寸僅為 14 x 3.8 x 2.5 mm，適合 Ku 波段天線(xiàn)陣列元件的半波長(cháng)間距限制。 它采用表面貼裝封裝，可實(shí)現自動(dòng)化裝配，相比傳統的衛星通訊裝配芯片-導線(xiàn)或混合方法，降低了生產(chǎn)成本。SMD 組件也有助于加速產(chǎn)品上市。該產(chǎn)品的另一個(gè)優(yōu)勢是薄膜制造能實(shí)現可重復的性能，因此無(wú)需進(jìn)一步調整器件。 這種濾波器具有良好的選擇性， 相對于 18 - 12 = 6 GHz 的標稱(chēng) Ku 帶寬，實(shí)際帶寬（定義為 fH - fL，其中 fL 是低頻 -3 dB 截止頻率，fH 是高頻 -3 dB 截止頻率）為 19.2 - 11.4 = 7.8 GHz。需注意的是，在低頻和高頻截止點(diǎn)后，頻率響會(huì )迅速下降，直到達到低端或高端抑制點(diǎn)（B148QF0S 為 -40 dB）。好的選擇性數字為每十倍頻 15 至 20 dB 的梯度。對于 Knowles DLI 的帶通濾波器，該數字約為每十倍頻 15 dB（圖 2）。
圖 2：陶瓷帶通濾波器上 B148QF0S 微帶的頻率響應。該器件專(zhuān)為衛星通訊 Ku 波段工作而設計，中心頻率為 15 GHz，帶寬為 7.8 GHz。（圖片來(lái)源：Knowles DLI） 面向未來(lái) 隨著(zhù)時(shí)間的推移，即使是 Ku 波段也會(huì )變得擁擠。所以工程師們已經(jīng)開(kāi)始針對 K（18 至 26 GHz）和 Ka 波段（26 至 40 GHz）設計衛星通訊系統。這意味著(zhù) SWaP 需求只會(huì )增加，而這種需求會(huì )推動(dòng) Ku 波段相控天線(xiàn)陣列的帶通濾波器開(kāi)發(fā)。好消息是，經(jīng)證明陶瓷帶通濾波器上的原型微帶可在高達 70 GHz 的頻率下工作，并且能處理高達 40 GHz 的商用器件已經(jīng)上市。這使得這些產(chǎn)品不僅適合當前，也適合未來(lái)的先進(jìn)衛星通訊應用。 結語(yǔ) Knowles DLI 在高 K 介電材料方面的努力，開(kāi)發(fā)出了高 Q 帶通濾波器，因此設計人員既能滿(mǎn)足 Ku 波段的需求，還能獲得諸如功率損耗低、效率提高、有助于溫度穩定等額外優(yōu)勢。要突破困境就需要在 Ku 波段變得擁擠之際著(zhù)手轉向 K 和 Ka 波段。屆時(shí)，原型工作頻率高達 70 GHz 的新材料將在這種較高頻率時(shí)代大展拳腳。 |
