نظرًا لأن الإنترنت عبر الأقمار الصناعية أصبح جزءًا أساسيًا من البنية التحتية الرقمية الجديدة، فإن الطلب على رقائق الترددات اللاسلكية عالية الأداء والمصغرة ومنخفضة الطاقة تتزايد بسرعة. رقائق الترددات اللاسلكية هي المكونات الأساسية لمحطات الاتصالات عبر الأقمار الصناعية، مما يحدد بشكل مباشر كفاءة إرسال الإشارة والأداء العام للنظام.

تستند هذه المقالة إلى نتائج أبحاث “رقائق تبديل طاقة النطاق Ka-Band للإنترنت عبر الأقمار الصناعية” يقدم التصميم والتنفيذ من رقاقة ترددات لاسلكية عالية الكفاءة ومتكاملة للغاية على نطاق Ka, توفير الدعم الفني الرئيسي لبناء محطات إنترنت عبر الأقمار الصناعية مدمجة وموثوقة.

1. المتطلبات التقنية لشرائح الترددات اللاسلكية للإنترنت عبر الأقمار الصناعية

عادةً ما يتم نشر أنظمة الإنترنت عبر الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض (LEO), تتميز بتغطية واسعة ومعدلات إرسال عالية ووقت استجابة منخفض. يجب أن تعمل المحطات الأرضية والمعدات المحمولة في الفضاء ضمن نطاق التردد Ka-band (27-40 جيجاهرتز) لتحقيق إرسال واستقبال مستقر للإشارة.

وهذا يضع متطلبات صارمة على رقائق الترددات اللاسلكية:

تكامل عالٍ: تقليل الدوائر الخارجية والمكونات المنفصلة لتقليل تعقيد النظام.

كفاءة عالية: تحسين كفاءة الطاقة المضافة (PAE) وتقليل إجمالي استهلاك الطاقة.

التصغير: تمكين تصميمات محطات طرفية أخف وزناً وأكثر إحكاماً.

تناسق عالٍ: ضمان توحيد السعة والطور عبر قنوات متعددة للحصول على أداء موثوق للنظام.

2. بنية رقاقة التردد اللاسلكي واختيار العملية

ال شريحة الترددات اللاسلكية ذات النطاق Ka في هذه الدراسة تعتمد 90 نانومتر GaAs PHEMT (ترانزستور عالي الحركية الإلكترونية الزائفة) المعروفة بحركيتها العالية للإلكترونات، وكثافة طاقتها، وخصائصها الممتازة عالية التردد، مما يجعلها مثالية لتضخيم طاقة النطاق Ka ودوائر التحويل.

تدمج الشريحة مضخم الطاقة (PA) و مفتاح أحادي القطب مزدوج الرمي (SPDT) على قالب واحد، مما يحقق تضخيمًا متجانسًا للإشارة وتبديل القنوات.

تشمل أبرز ملامح التصميم الرئيسية ما يلي:

- مضخم طاقة ثلاثي المراحل

تستخدم المرحلة الأخيرة شبكة مطابقة الحد الأدنى من الخسارة, ، بينما تستخدم المدخلات والمطابقة بين المراحل دوائر تفاعلية منخفضة التردد, ، مما يعزز الكفاءة بشكل كبير مع الحفاظ على استقرار الكسب.

- مفتاح SPDT متوازي SPDT

A ¼ تكوين خط الطول الموجي المتوازي مع نظام التحكم في الجهد الموجب يحد من فقدان الإدراج إلى أقل من 1 ديسيبل, ، مع زمن التحويل ≤ 500 نانو ثانية.

- تصميم تعاوني متسلسل تعاوني

عن طريق التضمين شبكات المطابقة والتصفية بين مضخم الصوت ووحدات التبديل، يتم تحسين تناسق المعاوقة وتقليل الفقد التعاقبي إلى الحد الأدنى وتحسين الأداء الكلي للرقاقة.

3. مقاييس الأداء الرئيسية ونتائج الاختبار

تقيس شريحة الترددات اللاسلكية 2.25 مم × 1.40 مم, ، مما يدل على الأداء المتميز في 27-31 جيجا هرتز نطاق التردد:

كسب الإشارات الصغيرة > 22 ديسيبل, ، تسطيح الكسب ± 1 ديسيبل

قدرة الخرج عند ضغط 1 ديسيبل > 21.5 ديسيبل ميلي واط

كفاءة الطاقة المضافة (PAE)> 32%, تتفوق في الأداء على معظم رقائق الترددات اللاسلكية المماثلة ذات النطاق Ka

اتساق سعة القناة < 0.5 ديسيبل, ، اتساق المرحلة < 4°

إجمالي استهلاك الطاقة < 0.5 W, مثالية لمحطات الأقمار الصناعية منخفضة الطاقة

تؤكد الاختبارات أن شريحة التردد اللاسلكي تلبي أهداف تصميمها من حيث الكفاءة, الاندماج, و اتساق القناة, مما يجعلها مناسبة للغاية لـ أجهزة الإرسال الأمامية للإنترنت عبر الأقمار الصناعية.

4. قيمة رقائق الترددات اللاسلكية في أنظمة الاتصالات الساتلية

تعتمد محطات الأقمار الصناعية التقليدية على مضخمات الطاقة المنفصلة والمفاتيح الكهربائية المنفصلة, ، مما يؤدي إلى حجم أكبر، وفقدان أعلى للوصلات البينية، واتساق قناة أضعف.

المقترح رقاقة ترددات لاسلكية متجانسة ذات نطاق Ka يحل هذه المشكلات من خلال التحسين على مستوى العملية وعلى مستوى الدائرة:

تصغير النظام: تحل شريحة واحدة محل وحدات متعددة، مما يقلل من حجم الواجهة الأمامية.

أداء محسّن: يعمل التصميم عالي الكفاءة ومنخفض الخسارة على تحسين جودة الاتصال بشكل عام.

اتساق الإنتاج الضخم: تضمن عملية GaAs PHEMT أداءً موحدًا وموثوقًا للرقاقة.

هذه رقائق الترددات اللاسلكية يمكن تطبيقها على نطاق واسع في محطات أرضية ومحطات محمولة على مركبات وأنظمة اتصالات محمولة جواً, ، وأكثر من ذلك، تشكيل مؤسسة الأجهزة لشبكات فضائية-أرضية متكاملة فعالة وموثوقة.

5. الخاتمة والتوقعات

تقدم هذه الورقة البحثية رقاقة الترددات اللاسلكية عالية الأداء على نطاق Ka مصممة خصيصاً للإنترنت عبر الأقمار الصناعية استناداً إلى تقنية GaAs PHEMT, ، تدمج الرقاقة مضخم طاقة ودائرة تبديل باستخدام تصميم متسلسل يحقق كسب عالٍ، وكفاءة عالية، وحجم صغير الحجم.

أثبتت النتائج التجريبية صحة أدائها الممتاز في نطاق 27-31 جيجا هرتز, تُظهر إمكانات قوية للتطبيقات الهندسية في العالم الحقيقي.

بالنظر إلى المستقبل، مع اندماج الإنترنت عبر الأقمار الصناعية مع شبكات الجيل الخامس 5G/6G, ، ستستمر رقائق الترددات اللاسلكية في التطور نحو ترددات أعلى، وعرض نطاق ترددي أوسع، وتكامل متعدد القنوات، وبنى قابلة لإعادة التشكيل. ستركز الأبحاث المستقبلية على رقائق الترددات اللاسلكية المزودة بآليات أمان مدمجة وقدرات تشكيل الحزم الذكية, قيادة الجيل القادم من أنظمة الاتصالات الساتلية.