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來源：Digi-Key 作者：Steven Keeping 衛(wèi)星通訊正在轉(zhuǎn)向更高波段，以尋求提高帶寬和吞吐量。傳統(tǒng) 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(shè)計(jì)人員將轉(zhuǎn)向 Ku 波段（12 至 18 GHz）及更高波段。在工程師追求更高衛(wèi)星通訊性能的同時，商用運(yùn)營商也在推動更輕、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(wèi)星造成的干擾。（圖片來源：Knowles DLI） 衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的主要部件是用于廣播和接收射頻信號的天線陣列。該陣列中的每個元件都類似于小型天線的作用。由于天線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(qiáng)，因此在很大程度上已取代了傳統(tǒng)的拋物面衛(wèi)星天線。其中增強(qiáng)分集接收有助于克服信號衰減。此外，天線輻射模式中的旁瓣更小，這有助于提高傳輸波束的可轉(zhuǎn)向性以及對特定方向輸入信號的靈敏度。 現(xiàn)代天線陣列利用相移來進(jìn)一步提升性能。以前，當(dāng)衛(wèi)星在軌道上移動時，天線陣列必須進(jìn)行機(jī)械式重新調(diào)整，才能重定向波束傳輸�，F(xiàn)在，相控陣天線按照計(jì)算機(jī)計(jì)算的各天線元件之間的相差進(jìn)行傳輸，從而在單個元件的傳輸中產(chǎn)生相長干涉，并增強(qiáng)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有可能變得更小更輕，從而有助于促進(jìn)減小通訊衛(wèi)星的尺寸、重量和功耗 (“SWaP”)。 在相控天線陣列中，陣列元件的間距必須小于工作頻率波長的一半。這主要是為了避免所謂的柵瓣，即天線傳輸模式中損耗功率的旁瓣。頻率越高，則波長越短。例如，L 波段的中心波長為 300 mm，Ku 波段的中心波長為 20 mm，后者各元件之間的間距更小。并且，無需任何機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可進(jìn)一步減小了天線體積。 帶通濾波器：關(guān)鍵的衛(wèi)星通訊組件 帶通濾波器可減少雜散信號，符合干擾合規(guī)性，并可最大限度地減少衛(wèi)星通訊應(yīng)用中的系統(tǒng)噪聲。在相控天線陣列中，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)榭臻g有限，工作頻率高，并且需要精確濾波才能發(fā)揮衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的高速通信潛力。 工程師通常通過查看器件的 Q 值，來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(biāo)頻率通過。當(dāng)相鄰?fù)ǖ揽拷鼤r，良好的選擇性至關(guān)重要，尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)人員試圖最大限度地利用可用帶寬時。 對于 Ku 波段的衛(wèi)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(dǎo)、金屬波導(dǎo)、印刷電路板帶狀線、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(dǎo)是 70 GHz 以上頻率的最佳選擇，但體積大、價格貴；介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(dǎo)），最佳頻率容差為 0.3% 至 0.5%（最高），尺寸小于下一個最小選件 (LTCC) 的一半，并且能夠直接集成在天線的陣列元件后面（連同印刷電路板帶狀線和 LTCC）。 材料科學(xué)來救場 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(xiàn)高 Q 值，但現(xiàn)代高介電常數(shù) (“K”) 材料解決了這一挑戰(zhàn)。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。該公司在材料開發(fā)方面有著悠久的歷史，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)還有一個好處，即功率損耗低，可提高效率并有助于保持溫度穩(wěn)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 波段天線陣列元件的半波長間距限制。 它采用表面貼裝封裝，可實(shí)現(xiàn)自動化裝配，相比傳統(tǒng)的衛(wèi)星通訊裝配芯片-導(dǎo)線或混合方法，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)品的另一個優(yōu)勢是薄膜制造能實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的性能，因此無需進(jìn)一步調(diào)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(biāo)稱 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，頻率響會迅速下降，直到達(dá)到低端或高端抑制點(diǎn)（B148QF0S 為 -40 dB）。好的選擇性數(shù)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(shù)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(yīng)。該器件專為衛(wèi)星通訊 Ku 波段工作而設(shè)計(jì)，中心頻率為 15 GHz，帶寬為 7.8 GHz。（圖片來源：Knowles DLI） 面向未來 隨著時間的推移，即使是 Ku 波段也會變得擁擠。所以工程師們已經(jīng)開始針對 K（18 至 26 GHz）和 Ka 波段（26 至 40 GHz）設(shè)計(jì)衛(wèi)星通訊系統(tǒng)。這意味著 SWaP 需求只會增加，而這種需求會推動 Ku 波段相控天線陣列的帶通濾波器開發(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(dá) 70 GHz 的頻率下工作，并且能處理高達(dá) 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(dāng)前，也適合未來的先進(jìn)衛(wèi)星通訊應(yīng)用。 結(jié)語 Knowles DLI 在高 K 介電材料方面的努力，開發(fā)出了高 Q 帶通濾波器，因此設(shè)計(jì)人員既能滿足 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(wěn)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手轉(zhuǎn)向 K 和 Ka 波段。屆時，原型工作頻率高達(dá) 70 GHz 的新材料將在這種較高頻率時代大展拳腳。 |
