基于混合波束赋形的低轨通信卫星相控阵天线架构研究

doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2021025

天地一体化信息网络 ›› 2021, Vol. 2 ›› Issue (2): 90-97.doi: 10.11959/j.issn.2096-8930.2021025

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基于混合波束赋形的低轨通信卫星相控阵天线架构研究

胡荣¹, 李秀梅², 邓娟³, 周骏³, 董姝婧³, 刘玲³, 马文英³

¹ 成都铱通科技有限公司，四川成都 610095
² 中国电子科技集团有限公司第十研究所，四川成都 610036
³ 成都信息工程大学通信工程学院（微电子学院），四川成都 610225

修回日期:2021-04-01 出版日期:2021-06-20 发布日期:2021-06-01
作者简介:胡荣（1985-），男，成都铱通科技有限公司研发部应用工程师，主要研究方向为射频与毫米波电路设计，主要从事基于硅基CMOS工艺的低成本瓦片式相控阵阵面设计工作
李秀梅（1976-），女，硕士，中国电子科技集团公司第十研究所高级工程师，主要研究方向为天线设计，主要从事相控阵天线设计工作
邓娟（1999-），女，成都信息工程大学硕士生，主要研究方向为通信专用集成电路与微电子系统，主要从事硅基射频前端芯片研究工作
周骏（1997-），男，成都信息工程大学硕士生，主要研究方向为电子信息材料与射频集成器件，主要从事相控阵天线研究设计工作
基金资助:
四川省科技厅科技计划项目(18SYXHZ0076)

Research on the Architecture of Phased Array Antenna of LEO Communication Satellites Based on Hybrid Beamforming

Rong HU¹, Xiumei LI², Juan DENG³, Jun ZHOU³, Shujing DONG³, Ling LIU³, Wenying MA³

¹ Iridium Communications Co., Ltd., Chengdu 610095, China
² The 10th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Chengdu 610036, China
³ School of Communication Engineering and Microelectronics, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China

Revised:2021-04-01 Online:2021-06-20 Published:2021-06-01
Supported by:
Science and Technology Project of Sichuan Province(18SYXHZ0076)

摘要/Abstract

摘要：

针对低轨通信卫星系统低损耗、低时延和高指向精度等特点，基于对混合波束赋形技术原理与优势的分析，研究一种适用于低轨通信卫星系统的混合波束赋形架构——“模拟波束赋形网络+数字波束赋形网络”，采用多通道射频前端芯片、混频芯片及数字波束赋形专用芯片（ASIC），与瓦片式相控阵天线阵列高度集成，在满足可扩展/拼接阵面的基础上，实现性能、成本、复杂性和功耗等因素的综合优化，为未来我国实现天基物联和可重构相控阵天线系统提供参考。

关键词: 天基物联, 可重构相控阵天线, 混合波束赋形, 芯片集成, 瓦片式

Abstract:

Due to the characteristics of low earth orbit (LEO) communication satellite system like low propagation loss, small propagation delay and high pointing accuracy, a hybrid architecture-“analog beamforming stage and digital beamforming (DBF) stage” was proposed, and the principle and advantages of hybrid beamforming were analyzed.Through three dimensional integrating of multi-channel RF frontend chips, mixers, dedicated DBF ASIC chips, and tiles phased array anntena arrays, the proposed hybrid beamforming could be expanded or spliced.This hybrid architecture achieved the optimization of performance, cost, complexity and power consumption, and provided a reference for China to build space based internet of things system and reconfi gurable phased array antenna system in the future.

Key words: space based internet of things, reconfi gurable phased array antenna, hybrid beamforming, chip assembly, tiles

中图分类号:

TN927

胡荣, 李秀梅, 邓娟, 周骏, 董姝婧, 刘玲, 马文英. 基于混合波束赋形的低轨通信卫星相控阵天线架构研究[J]. 天地一体化信息网络, 2021, 2(2): 90-97.

Rong HU, Xiumei LI, Juan DENG, Jun ZHOU, Shujing DONG, Ling LIU, Wenying MA. Research on the Architecture of Phased Array Antenna of LEO Communication Satellites Based on Hybrid Beamforming[J]. Space-Integrated-Ground Information Networks, 2021, 2(2): 90-97.

图/表 10

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参考文献 22

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器件	器件典型功耗/mW	器件数量/个
器件	器件典型功耗/mW	模拟合成	数字合成	混合合成
低噪声放大器	30	N	N	N
可变增益放大器	10	N	0	N
移相器	5	N	0	N
N合1合成器（M合1合成器）	0	1	0	N/M
混频器	10	1	N	N/M
模数转换器	20	1	N	N/M
数字波束合成器（L个通道）	70	0	N/L	N/M/L

器件	器件典型功耗/mW	器件数量/个
器件	器件典型功耗/mW	模拟合成	数字合成	混合合成
数字波束分配器（L个通道）	70	0	N/L	N/M/L
数模转换器	20	1	N	N/M
混频器	10	1	N	N/M
1分N功分器（1分M功分器）	0	1	0	N/M
移相器	5	N	0	N
可变增益放大器	10	N	0	N
功率放大器	130	N	N	N

波束赋形方式	性能	成本	体积	工艺复杂度	可扩展性	射频损耗
全模拟	性能低、功耗低	低廉	小	简单	难	高
全数字	性能高、功耗高	昂贵	大	复杂	易	低
混合波束	性能高、功耗较低	适中	适中	适中	易	低

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