低轨卫星相控阵天线，新成果
产业动态 | 2023/2/24 19:04:11
2月19日举行的ISSCC 2023“国际固态电路会议2023”上，一项低轨卫星抗辐射相控阵天线成果被公布，系东京工业大学创新研究所和电气与电子工程系联合开发。
相控阵无线电用于避免地对卫星通信和卫星对卫星通信中的姿态控制冲突，但具有辐射耐受敏感性，因为集成电路（IC）安装在卫星外壳外的天线附近。因此该研究团队设计了一种以检测阵列上任何位置的辐射衰减的相控阵无线电，即使阵列上的辐射衰减不均匀，也可以补偿无线电性能的退化。
这种抗辐射Ka波段相控阵天线原型（如图1所示）由一个64单元阵列天线和一个由硅CMOS工艺制造的16芯片相控阵集成电路组成。每个集成电路有4个辐射传感器，64个辐射传感器对应64个天线单元。在测量和评估该的基本特性时，其工作于25.9 GHz至30.1 GHz的Ka波段，并在右旋和左旋圆极化波中实现了8 Gbps的最大通信速率。此外，将每个系统的功耗降低到 2.95 mW，不到现有相控阵无线电的20%。此外，通过用辐射实际照射该天线设备，辐射传感器检测到性能下降，并且通过性能补偿将增益性能提高2 dB或更多，证明了所设计技术的有效性。
背景
下一代移动通信（6G ）标准正在考虑进一步扩大通信区域，不仅使用地面通信基础设施，还使用无人机、高空平台和人造卫星等非地面通信基础设施。非地面通信基础设施将在山顶、海洋或地面通信基础设施因自然灾害暂时无法使用时，提供更广泛、更强大的通信网络。近年来，面向6G时代的低轨卫星星座研发和服务商用化进展迅速，对能够承受严酷环境的高速通信星载电台的需求正在增加。
低轨卫星绕地球一周大约需要90分钟，卫星与地面通信节点的位置关系时刻在变化。在传统的近地轨道小卫星中，固定方向性天线的方向通过卫星的姿态控制对准地面接收器。然而，不仅在地面与卫星之间连接，而且在卫星与卫星之间连接的卫星星座中，在姿态控制方面存在竞争，仅通过姿态控制很难在两个方向上进行通信。
另一方面，相控阵无线电可以通过电气方向性控制将通信方向指向接收器，而无需姿态控制，但存在辐射敏感性问题。相控阵无线电被用于最近开始服务的毫米波段5G通信，并且许多相控阵无线电作为地面通信使用的产品存在。然而，为了减小这些无线电的尺寸、重量和成本，天线和相控阵IC集成在基板上，天线和IC不能分开安装。因此，当相控阵无线电安装在卫星上时，通常将IC放置在卫星外壳外的天线附近，使其暴露在不存在充分辐射屏蔽的环境中。在如此恶劣的辐射环境中，总电离剂量效应成为一个问题，因为IC的辐射损伤会随着时间的推移而累积，从而性能逐渐降低。
研究成果
根据卫星通信线路设计的不同，辐射衰减不一定是均匀进行的。如果每个天线单元的性能均匀地因辐射而退化，则可以均匀地增加所有单元的增益。
因此研究团队在构成相控阵无线电的相控阵IC中安装了辐射传感器，从而可以检测所有天线单元即阵列上所有位置的辐射劣化。 此外，基于检测值，可以补偿无线电性能的劣化。 一个相控阵IC有4个辐射传感器和8个接收器，每个接收器都连接到一个四单元双极化天线。可按位置检测。
如上文图1所示，耐辐射Ka波段相控阵无线电由一个64单元阵列天线和一个16芯片相控阵IC组成。由于每个天线单元有两个端口分别对应于右旋和左旋圆极化波，因此4个天线单元连接到一个相控阵IC。相控阵IC采用廉价且可量产的硅CMOS工艺制造，采用晶圆级芯片规模封装（WLCSP）进行封装。
接下来研究团队测量了所开发无线电的基本性能，并评估了其高速通信性能和低功耗特性。 发现这款无线设备工作在25.9 GHz至30.1 GHz的Ka频段能够进行高速通信（8 Gbps），并且具有3.6 dB的噪声系数（接收灵敏度高），每个系统的功耗为2.95 mW，不到现有相控阵无线电的20%。
此外，研究团队通过将其暴露于辐射、检测总电离剂量和补偿无线电性能下降来确认该无线电的有效性。作为放射线试验，在东京工业大学的千代田Technol钴辐照设施进行了钴60伽马射线辐照。相控阵无线电被布置成每个阵列单元和辐射源之间的距离不同，使得由于辐射引起的劣化不是均匀的而是具有梯度的，并且使用每个阵列单元中的辐射传感器来检测总电离剂量。共有64个辐射传感器，分别表示每个党员对应的总电离剂量。通过将计算出的总电离剂量与辐射传感器实际检测到的值进行比较，研究团队确认所开发的辐射传感器具有良好的检测特性（图2）。
此外，通过使用检测值来补偿每个单元的特性劣化，研究团队成功地将增益性能提高了2 dB以上（图3）。
社会影响
据介绍，这项研究旨在实现可安装在卫星上的耐辐射无线电设备，这是实现卫星星座的关键。该研究所设计的体积小、重量轻、价格低廉的相控阵天线，可以提高耐辐射性。因此，该研究将有助于降低卫星成本和提高在轨寿命，有望为实现拥有大量小卫星的卫星星座做出贡献。
未来展望
本次研究的耐辐射天线将搭载在Axelspace研制的一颗小卫星上，与正在同步研发的节能相控阵天线一起构建卫星星座。此外将实现解决各种社会问题的技术，例如用于解决能源问题的太空太阳能发电的电力传输无线设备，以及可以使用卫星星座随时随地连接的下一代通信。
相控阵无线电用于避免地对卫星通信和卫星对卫星通信中的姿态控制冲突，但具有辐射耐受敏感性，因为集成电路（IC）安装在卫星外壳外的天线附近。因此该研究团队设计了一种以检测阵列上任何位置的辐射衰减的相控阵无线电，即使阵列上的辐射衰减不均匀，也可以补偿无线电性能的退化。
这种抗辐射Ka波段相控阵天线原型（如图1所示）由一个64单元阵列天线和一个由硅CMOS工艺制造的16芯片相控阵集成电路组成。每个集成电路有4个辐射传感器，64个辐射传感器对应64个天线单元。在测量和评估该的基本特性时，其工作于25.9 GHz至30.1 GHz的Ka波段，并在右旋和左旋圆极化波中实现了8 Gbps的最大通信速率。此外，将每个系统的功耗降低到 2.95 mW，不到现有相控阵无线电的20%。此外，通过用辐射实际照射该天线设备，辐射传感器检测到性能下降，并且通过性能补偿将增益性能提高2 dB或更多，证明了所设计技术的有效性。
背景
下一代移动通信（6G ）标准正在考虑进一步扩大通信区域，不仅使用地面通信基础设施，还使用无人机、高空平台和人造卫星等非地面通信基础设施。非地面通信基础设施将在山顶、海洋或地面通信基础设施因自然灾害暂时无法使用时，提供更广泛、更强大的通信网络。近年来，面向6G时代的低轨卫星星座研发和服务商用化进展迅速，对能够承受严酷环境的高速通信星载电台的需求正在增加。
低轨卫星绕地球一周大约需要90分钟，卫星与地面通信节点的位置关系时刻在变化。在传统的近地轨道小卫星中，固定方向性天线的方向通过卫星的姿态控制对准地面接收器。然而，不仅在地面与卫星之间连接，而且在卫星与卫星之间连接的卫星星座中，在姿态控制方面存在竞争，仅通过姿态控制很难在两个方向上进行通信。
另一方面，相控阵无线电可以通过电气方向性控制将通信方向指向接收器，而无需姿态控制，但存在辐射敏感性问题。相控阵无线电被用于最近开始服务的毫米波段5G通信，并且许多相控阵无线电作为地面通信使用的产品存在。然而，为了减小这些无线电的尺寸、重量和成本，天线和相控阵IC集成在基板上，天线和IC不能分开安装。因此，当相控阵无线电安装在卫星上时，通常将IC放置在卫星外壳外的天线附近，使其暴露在不存在充分辐射屏蔽的环境中。在如此恶劣的辐射环境中，总电离剂量效应成为一个问题，因为IC的辐射损伤会随着时间的推移而累积，从而性能逐渐降低。
研究成果
根据卫星通信线路设计的不同，辐射衰减不一定是均匀进行的。如果每个天线单元的性能均匀地因辐射而退化，则可以均匀地增加所有单元的增益。
因此研究团队在构成相控阵无线电的相控阵IC中安装了辐射传感器，从而可以检测所有天线单元即阵列上所有位置的辐射劣化。 此外，基于检测值，可以补偿无线电性能的劣化。 一个相控阵IC有4个辐射传感器和8个接收器，每个接收器都连接到一个四单元双极化天线。可按位置检测。
如上文图1所示，耐辐射Ka波段相控阵无线电由一个64单元阵列天线和一个16芯片相控阵IC组成。由于每个天线单元有两个端口分别对应于右旋和左旋圆极化波，因此4个天线单元连接到一个相控阵IC。相控阵IC采用廉价且可量产的硅CMOS工艺制造，采用晶圆级芯片规模封装（WLCSP）进行封装。
接下来研究团队测量了所开发无线电的基本性能，并评估了其高速通信性能和低功耗特性。 发现这款无线设备工作在25.9 GHz至30.1 GHz的Ka频段能够进行高速通信（8 Gbps），并且具有3.6 dB的噪声系数（接收灵敏度高），每个系统的功耗为2.95 mW，不到现有相控阵无线电的20%。
此外，研究团队通过将其暴露于辐射、检测总电离剂量和补偿无线电性能下降来确认该无线电的有效性。作为放射线试验，在东京工业大学的千代田Technol钴辐照设施进行了钴60伽马射线辐照。相控阵无线电被布置成每个阵列单元和辐射源之间的距离不同，使得由于辐射引起的劣化不是均匀的而是具有梯度的，并且使用每个阵列单元中的辐射传感器来检测总电离剂量。共有64个辐射传感器，分别表示每个党员对应的总电离剂量。通过将计算出的总电离剂量与辐射传感器实际检测到的值进行比较，研究团队确认所开发的辐射传感器具有良好的检测特性（图2）。
此外，通过使用检测值来补偿每个单元的特性劣化，研究团队成功地将增益性能提高了2 dB以上（图3）。
社会影响
据介绍，这项研究旨在实现可安装在卫星上的耐辐射无线电设备，这是实现卫星星座的关键。该研究所设计的体积小、重量轻、价格低廉的相控阵天线，可以提高耐辐射性。因此，该研究将有助于降低卫星成本和提高在轨寿命，有望为实现拥有大量小卫星的卫星星座做出贡献。
未来展望
本次研究的耐辐射天线将搭载在Axelspace研制的一颗小卫星上，与正在同步研发的节能相控阵天线一起构建卫星星座。此外将实现解决各种社会问题的技术，例如用于解决能源问题的太空太阳能发电的电力传输无线设备，以及可以使用卫星星座随时随地连接的下一代通信。
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