Starlink接收器與靜地軌道通迅衛(wèi)星接收器大小對比

2020年衛(wèi)星通信圈最熱門的話題無疑是關(guān)于Starlink 星座以及其地面終端Starlink Dish的（以下簡稱Dish）。星鏈（Starlink）計劃的設(shè)計理念，是通過約 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)筑一個覆蓋全球的廉價太空通信系統(tǒng)。馬斯克表示“努力讓我們公司在火箭方面的成功，在衛(wèi)星方面也照樣實現(xiàn)”。星鏈計劃預(yù)定在2020 年代中段鋪設(shè)完成。如果項目一帆風(fēng)順，星鏈所產(chǎn)生的利潤將會是 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。我們針對陣面設(shè)計、散熱設(shè)計和整機(jī)相控陣部分的架構(gòu)設(shè)計，給出了一些自己的觀點。

板子包括時射頻開關(guān)，時鐘相關(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！

天線部分（約1300個單元）

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)用處理器和無線電前端單元，這兩個芯片都由意法半導(dǎo)體制造，意法半導(dǎo)體還因向蘋果公司提供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)星天線軟件，并使其天線產(chǎn)生正確的信號與軌道衛(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，采用專門為數(shù)字信號控制應(yīng)用設(shè)計的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是為汽車開發(fā)的，并且主要用于汽車，因此SpaceX很可能使用的是MP151系列當(dāng)中專門為SpaceX定制版本。

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

這份報告援引一位內(nèi)部人士的話分享了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)24億美元的費用，用于制造100萬臺用戶終端。根據(jù)內(nèi)部人士的說法，最終用戶終端單價已經(jīng)定在了2400美元左右，如果屬實，那么SpaceX LLC（SpaceX公司的Starlink子公司）要想實現(xiàn)正底線利潤，還需要相當(dāng)長的時間。SpaceX公司因這些終端而承擔(dān)的虧損將通過公司通過該服務(wù)產(chǎn)生的運(yùn)營利潤進(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1500萬美元。

輻射面天線陣設(shè)計

參考了Ken Keiter的拆解視頻，我們發(fā)現(xiàn)Dish天線采用以空氣作為介質(zhì)的雙層耦合天線，這不同于傳統(tǒng)的印制板工藝的多層貼片天線。該天線具有30%的相對帶寬，滿足接收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，推測出了以下的單元模型：

單元模型

但是采用該類型單元會帶來嚴(yán)重的陣元間互耦問題，不利于天線進(jìn)行波束掃描。我們猜測是采用了EBG結(jié)構(gòu)的或者高阻表面設(shè)計來降低天線之間的互耦影響，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使用圓極化。關(guān)于圓極化的實現(xiàn)方式，我們猜測是由線極化單元旋轉(zhuǎn)饋電以產(chǎn)生圓極化效果。同時接收和發(fā)射采用不同的饋點。天線單元與射頻末級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)功耗不會大于100W。Dish沒有采用風(fēng)扇進(jìn)行主動散熱，甚至連散熱齒也沒有。這無疑顛覆了很多人對于相控陣天線熱設(shè)計的理念。仔細(xì)思考和仿真后我們發(fā)現(xiàn)，正是因為其低于100W的整機(jī)功耗，使得該設(shè)計得以成功。我們猜測，Dish還將這100W功耗作用其他目的：Dish具有自動融化覆蓋在天線罩表面冰雪的功能！熱量通過背部的屏蔽殼首先被直接傳導(dǎo)到天線罩的邊緣。對天線罩輻射面進(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中，進(jìn)一步加強(qiáng)。

關(guān)于該功能可以使用一個特殊設(shè)計的載波使得整機(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)于相控陣天線的工作模式和系統(tǒng)架構(gòu)，也是行業(yè)關(guān)注的重點，這其中同時涉及到不少對星鏈系統(tǒng)工作模式的推測。下圖是另一個非常關(guān)鍵的點：

??????????????我們猜測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，這里有兩個作用：幫助進(jìn)行熱量傳導(dǎo)和對該芯片局部做電磁屏蔽。正是因為射頻前端芯片帶有混頻功能，該芯片的屏蔽工作更為重要。

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

系統(tǒng)原理圖

本文綜合自射頻百花潭、恪賽科技、電子工程專輯

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

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