Da das Satelliteninternet ein wesentlicher Bestandteil der neuen digitalen Infrastruktur wird, steigt die Nachfrage nach leistungsstarke, miniaturisierte und stromsparende RF-Chips nimmt rapide zu. RF-Chips sind die Kernkomponenten von Satellitenkommunikationsterminals, die direkt die Effizienz der Signalübertragung und die Gesamtleistung des Systems bestimmen.

Dieser Artikel, der auf den Forschungsergebnissen von “Ka-Band Power Switching Chips für Satelliten-Internet,” präsentiert die Entwurf und Umsetzung eines Hochintegrierter, hocheffizienter Ka-Band RF-Chip, und bietet wichtige technische Unterstützung für den Bau kompakter und zuverlässiger Satelliten-Internet-Terminals.

1. Technische Anforderungen an RF-Chips für Satelliten-Internet

Satelliten-Internet-Systeme werden in der Regel eingesetzt in Niedrige Erdumlaufbahn (LEO), die sich durch eine große Reichweite, hohe Übertragungsraten und geringe Latenzzeiten auszeichnen. Bodenstationen und weltraumgestützte Geräte müssen innerhalb der Ka-Band-Frequenzbereich (27-40 GHz) um eine stabile Signalübertragung und einen stabilen Empfang zu erreichen.

Dies stellt strenge Anforderungen an RF-Chips:

Hohe Integration: Reduzieren Sie externe Schaltungen und diskrete Komponenten, um die Systemkomplexität zu minimieren.

Hoher Wirkungsgrad: Verbesserung der Leistungszusatzeffizienz (PAE) und Reduzierung des Gesamtstromverbrauchs.

Miniaturisierung: Ermöglicht leichtere, kompaktere Terminalkonstruktionen.

Hohe Konsistenz: Sicherstellung der Gleichmäßigkeit von Amplitude und Phase über mehrere Kanäle für eine zuverlässige Systemleistung.

2. RF-Chip-Architektur und Prozessauswahl

Die Ka-Band RF-Chip in dieser Studie wird ein 90 nm GaAs PHEMT (Pseudomorpher Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) Prozess, der für seine hohe Elektronenbeweglichkeit, Leistungsdichte und hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften bekannt ist und sich daher ideal für Ka-Band-Leistungsverstärker und Schaltkreise eignet.

Der Chip integriert einen Leistungsverstärker (PA) und eine Einpoliger Doppelumschalter (SPDT) auf einem Chip, wodurch eine monolithische Signalverstärkung und Kanalumschaltung erreicht wird.

Zu den wichtigsten Design-Highlights gehören:

- Dreistufiger Leistungsverstärker

In der letzten Phase wird ein Anpassungsnetzwerk mit minimalen Verlusten, während für die Eingangs- und Zwischenstufenanpassung reaktive Tiefpass-Schaltungen, Dadurch wird die Effizienz erheblich gesteigert und gleichzeitig die Stabilität der Verstärkung erhalten.

- Paralleler SPDT-Schalter

A Parallele ¼-Wellenlänge-Konfiguration in Kombination mit einem positiven Spannungsregelsystem begrenzt die Einfügedämpfung auf unter 1 dB, mit einer Schaltzeit ≤ 500 ns.

- Kollaboratives kaskadiertes Design

Durch Einbettung Anpassung und Filterung von Netzen zwischen Verstärker- und Schaltmodulen wird die Impedanzkonsistenz optimiert, Kaskadenverluste werden minimiert und die Gesamtleistung des Chips wird verbessert.

3. Wichtige Leistungskennzahlen und Testergebnisse

Der RF-Chip misst nur 2,25 mm × 1,40 mm, mit herausragenden Leistungen im Bereich der 27-31 GHz Frequenzbereich:

Kleinsignalverstärkung > 22 dB, Flachheit der Verstärkung ±1 dB

Ausgangsleistung bei 1 dB Kompression > 21,5 dBm

Leistungserhöhter Wirkungsgrad (PAE) > 32%, und übertrifft damit die meisten vergleichbaren Ka-Band RF-Chips

Konsistenz der Kanalamplitude < 0,5 dB, Phasenkonsistenz < 4°

Gesamtstromverbrauch < 0.5 W, ideal für Satellitenterminals mit niedrigem Stromverbrauch

Die Tests bestätigen, dass der RF-Chip seine Designziele in Bezug auf Effizienz, Integration, und Kanalgleichförmigkeit, und ist daher besonders geeignet für Satelliten-Internet-Frontend-Sender.

4. Der Wert von RF-Chips in Satellitenkommunikationssystemen

Herkömmliche Satellitenterminals beruhen auf Diskrete Leistungsverstärker und Schalter, die zu einer größeren Größe, höheren Schnittstellenverlusten und einer schlechteren Kanalkonsistenz führen.

Die vorgeschlagene monolithischer Ka-Band RF-Chip löst diese Probleme durch Optimierung auf Prozess- und Schaltungsebene:

System-Miniaturisierung: Ein einziger Chip ersetzt mehrere Module, was die Größe des Front-Ends reduziert.

Verbesserte Leistung: Das hocheffiziente und verlustarme Design verbessert die gesamte Kommunikationsqualität.

Konsistenz der Massenproduktion: Der GaAs-PHEMT-Prozess gewährleistet eine gleichmäßige und zuverlässige Chipleistung.

Diese RF-Chips kann weitgehend angewendet werden in Bodenterminals, auf Fahrzeugen montierte Stationen, luftgestützte Kommunikationssysteme, und mehr, die eine Hardware-Fundament für effiziente und zuverlässige integrierte Raum-Boden-Netze.

5. Schlussfolgerung und Ausblick

In diesem Papier wird ein Hochleistungs-Ka-Band-RF-Chip für das Satelliteninternet zugeschnitten. Basierend auf GaAs-PHEMT-Technologie, Der Chip integriert einen Leistungsverstärker und einen Schaltkreis in einem kaskadierten Design, das folgende Ergebnisse erzielt hohe Verstärkung, hoher Wirkungsgrad und kompakte Größe.

Experimentelle Ergebnisse bestätigen seine hervorragende Leistung in der 27-31 GHz-Band, und zeigen ein großes Potenzial für reale technische Anwendungen.

Da das Satelliteninternet in Zukunft mit dem 5G/6G-Netze, RF-Chips werden sich weiter entwickeln in Richtung höhere Frequenzen, größere Bandbreiten, mehrkanalige Integration und rekonfigurierbare Architekturen. Künftige Forschung wird sich konzentrieren auf RF-Chips mit eingebetteten Sicherheitsmechanismen und intelligenten Beamforming-Funktionen, und treibt die nächste Generation von Satellitenkommunikationssystemen voran.