馬斯克Starlink星鏈相控陣天線(xiàn)終端是什么樣子的？

Starlink接收器與靜地軌道通迅衛(wèi)星接收器大小對(duì)比

2020年衛(wèi)星通信圈最熱門(mén)的話(huà)題無(wú)疑是關(guān)于Starlink 星座以及其地面終端Starlink Dish的（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Dish）。星鏈（Starlink）計(jì)劃的設(shè)計(jì)理念，是通過(guò)約 4000 枚相互鏈接的衛(wèi)星和依據(jù)地理分布的地面基站，構(gòu)筑一個(gè)覆蓋全球的廉價(jià)太空通信系統(tǒng)。馬斯克表示“努力讓我們公司在火箭方面的成功，在衛(wèi)星方面也照樣實(shí)現(xiàn)”。星鏈計(jì)劃預(yù)定在2020 年代中段鋪設(shè)完成。如果項(xiàng)目一帆風(fēng)順，星鏈所產(chǎn)生的利潤(rùn)將會(huì)是 SpaceX 登陸火星的重要資本。

地面終端作為我們能夠?qū)嶋H看到的設(shè)備，其整機(jī)架構(gòu)和工作模式引起了行業(yè)內(nèi)廣泛的討論。我們針對(duì)陣面設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)和整機(jī)相控陣部分的架構(gòu)設(shè)計(jì)，給出了一些自己的觀點(diǎn)。

板子包括時(shí)射頻開(kāi)關(guān)，時(shí)鐘相關(guān)電路，基帶，波束控制電路，集成度很高，POE電路電機(jī)電路，GPS定位等電路。一體化程度度很高！

天線(xiàn)部分（約1300個(gè)單元）

射頻電路單元

Kenneth Keiter在YouTube上的分析視頻顯示，這些終端擁有自己的應(yīng)用處理器和無(wú)線(xiàn)電前端單元，這兩個(gè)芯片都由意法半導(dǎo)體制造，意法半導(dǎo)體還因向蘋(píng)果公司提供iPhone和iPad的組件而聞名。Kenneth Keiter表示，這兩款芯片旨在運(yùn)行衛(wèi)星天線(xiàn)軟件，并使其天線(xiàn)產(chǎn)生正確的信號(hào)與軌道衛(wèi)星進(jìn)行通信。意法半導(dǎo)體 2019年推出MPU微處理器，這些微處理器基于32位Arm Cortex A系列內(nèi)核，采用專(zhuān)門(mén)為數(shù)字信號(hào)控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的Cortex M4內(nèi)核。

意法半導(dǎo)體目前列出了十二款基于該核心的MPU進(jìn)行銷(xiāo)售，有單核和雙核兩種選擇，頻率為800MHz和650MHz。在這十二款中，SpaceX很可能使用的是STM32MP151A/C或STM32MP153A/C的衍生產(chǎn)品。MP153和MP151系列的不同之處在于，前者采用了CAN FD（控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)靈活數(shù)據(jù)速率）數(shù)據(jù)通信協(xié)議。由于CAN FD是為汽車(chē)開(kāi)發(fā)的，并且主要用于汽車(chē)，因此SpaceX很可能使用的是MP151系列當(dāng)中專(zhuān)門(mén)為SpaceX定制版本。

SpaceX以大約五分之一的成本出售Starlink用戶(hù)終端，在此過(guò)程中吸收了巨大的損失。這些用戶(hù)終端的制造成本也不低。SpaceX公司以499美元的價(jià)格將它們賣(mài)給了第一階段Starlink測(cè)試版用戶(hù)，包裝中包括一個(gè)WiFi路由器和一個(gè)安裝三腳架，一份報(bào)告表示 SpaceX公司自己吸收的費(fèi)用大約是這個(gè)金額的四倍。

這份報(bào)告援引一位內(nèi)部人士的話(huà)分享了SpaceX與意法半導(dǎo)體制造協(xié)議的細(xì)節(jié)。根據(jù)細(xì)節(jié)，該公司可能向終端制造商支付了高達(dá)24億美元的費(fèi)用，用于制造100萬(wàn)臺(tái)用戶(hù)終端。根據(jù)內(nèi)部人士的說(shuō)法，最終用戶(hù)終端單價(jià)已經(jīng)定在了2400美元左右，如果屬實(shí)，那么SpaceX LLC（SpaceX公司的Starlink子公司）要想實(shí)現(xiàn)正底線(xiàn)利潤(rùn)，還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。SpaceX公司因這些終端而承擔(dān)的虧損將通過(guò)公司通過(guò)該服務(wù)產(chǎn)生的運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)進(jìn)行核算。埃隆-馬斯克去年5月份曾經(jīng)表示，發(fā)射一批60顆衛(wèi)星的成本大約為1500萬(wàn)美元。

輻射面天線(xiàn)陣設(shè)計(jì)

參考了Ken Keiter的拆解視頻，我們發(fā)現(xiàn)Dish天線(xiàn)采用以空氣作為介質(zhì)的雙層耦合天線(xiàn)，這不同于傳統(tǒng)的印制板工藝的多層貼片天線(xiàn)。該天線(xiàn)具有30%的相對(duì)帶寬，滿(mǎn)足接收10.7-12.7GHz和發(fā)射14.0-14.5GHz 的頻率需求，可有效降低印制板層數(shù)和加工難度，同時(shí)具有低成本效應(yīng)。

單元寄生輻射貼片

我們根據(jù)視頻中的單元信息，推測(cè)出了以下的單元模型：

單元模型

但是采用該類(lèi)型單元會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的陣元間互耦問(wèn)題，不利于天線(xiàn)進(jìn)行波束掃描。我們猜測(cè)是采用了EBG結(jié)構(gòu)的或者高阻表面設(shè)計(jì)來(lái)降低天線(xiàn)之間的互耦影響，如下圖所示。

Dish陣面圖

該陣面采用三角布陣，為了降低雨衰大概率會(huì)使用圓極化。關(guān)于圓極化的實(shí)現(xiàn)方式，我們猜測(cè)是由線(xiàn)極化單元旋轉(zhuǎn)饋電以產(chǎn)生圓極化效果。同時(shí)接收和發(fā)射采用不同的饋點(diǎn)。天線(xiàn)單元與射頻末級(jí)芯片的工作原理如下：

取巧的散熱技術(shù)

根據(jù)POE供電功率極限推算，Dish整機(jī)功耗不會(huì)大于100W。Dish沒(méi)有采用風(fēng)扇進(jìn)行主動(dòng)散熱，甚至連散熱齒也沒(méi)有。這無(wú)疑顛覆了很多人對(duì)于相控陣天線(xiàn)熱設(shè)計(jì)的理念。仔細(xì)思考和仿真后我們發(fā)現(xiàn)，正是因?yàn)槠涞陀?00W的整機(jī)功耗，使得該設(shè)計(jì)得以成功。我們猜測(cè)，Dish還將這100W功耗作用其他目的：Dish具有自動(dòng)融化覆蓋在天線(xiàn)罩表面冰雪的功能！熱量通過(guò)背部的屏蔽殼首先被直接傳導(dǎo)到天線(xiàn)罩的邊緣。對(duì)天線(xiàn)罩輻射面進(jìn)行加熱。該猜想也在官方的文件中得到了答案，并且該功能還可在后期的固件升級(jí)中，進(jìn)一步加強(qiáng)。

關(guān)于該功能可以使用一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的載波使得整機(jī)處于最大功耗工作模式且射頻前端相位處于無(wú)序配置狀態(tài)，使得該系統(tǒng)在不干擾系統(tǒng)系統(tǒng)的情況下達(dá)到迅速升溫融雪化冰的目的。

圖中，天線(xiàn)罩的邊緣有一圈用于導(dǎo)熱和加熱邊緣的金屬涂層

整機(jī)架構(gòu)猜想

關(guān)于相控陣天線(xiàn)的工作模式和系統(tǒng)架構(gòu)，也是行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，這其中同時(shí)涉及到不少對(duì)星鏈系統(tǒng)工作模式的推測(cè)。下圖是另一個(gè)非常關(guān)鍵的點(diǎn)：

??????????????我們猜測(cè)dish的射頻部分采用兩種芯片分工完成：

體積較大的8通道射頻前端芯片，具有調(diào)幅調(diào)相并且?guī)в谢祛l功能；

體積較小的2通道射頻末級(jí)芯片，具有低噪聲放大和功率放大功能；

Dish整機(jī)系統(tǒng)采用射頻前端芯片和射頻末級(jí)芯片搭配使用的方式，數(shù)量比例為1：8。由于射頻前端芯片帶有混頻功能，大部分熱量也集中在該芯片上。大量射頻前端芯片被蓋上鋁箔，這里有兩個(gè)作用：幫助進(jìn)行熱量傳導(dǎo)和對(duì)該芯片局部做電磁屏蔽。正是因?yàn)樯漕l前端芯片帶有混頻功能，該芯片的屏蔽工作更為重要。

射頻末級(jí)芯片沒(méi)有調(diào)相功能，所驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)天線(xiàn)會(huì)形成一個(gè)固定相位的子陣。這種構(gòu)架在5G毫米波通信系統(tǒng)中也被應(yīng)用。該設(shè)計(jì)能夠在G/T基本不變的情況下減少一半的射頻末級(jí)芯片使用數(shù)量和功耗，是一種非常有效的設(shè)計(jì)方法。

系統(tǒng)原理圖

本文綜合自射頻百花潭、恪賽科技、電子工程專(zhuān)輯

原文標(biāo)題：暴力拆解馬斯克Starlink星鏈相控陣天線(xiàn)終端（含視頻）

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