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來源：Digi-Key 作者：Steven Keeping 衛星通訊正在轉向更高波段，以尋求提高帶寬和吞吐量。傳統 L（1 至 2 GHz）、C（4 至 8 GHz）和 X（7 至 11 GHz）波段的帶寬正快速耗盡，由于空域擁擠，設計人員將轉向 Ku 波段（12 至 18 GHz）及更高波段。在工程師追求更高衛星通訊性能的同時，商用運營商也在推動更輕、更緊湊的航天器。 
圖 1：地球軌道日漸擁擠，因此工程師正在考慮采用更高波段以避免其他衛星造成的干擾。（圖片來源：Knowles DLI） 衛星通訊系統的主要部件是用于廣播和接收射頻信號的天線陣列。該陣列中的每個元件都類似于小型天線的作用。由于天線陣列的性能有較大提升，包括增益更高、信噪比 (SNR) 更佳、分集接收更強，因此在很大程度上已取代了傳統的拋物面衛星天線。其中增強分集接收有助于克服信號衰減。此外，天線輻射模式中的旁瓣更小，這有助于提高傳輸波束的可轉向性以及對特定方向輸入信號的靈敏度。 現代天線陣列利用相移來進一步提升性能。以前，當衛星在軌道上移動時，天線陣列必須進行機械式重新調整，才能重定向波束傳輸。現在，相控陣天線按照計算機計算的各天線元件之間的相差進行傳輸，從而在單個元件的傳輸中產生相長干涉，并增強特定方向的信號。 除了性能更佳，工作頻率提高和相控陣還使天線有可能變得更小更輕，從而有助于促進減小通訊衛星的尺寸、重量和功耗 (“SWaP”)。 在相控天線陣列中，陣列元件的間距必須小于工作頻率波長的一半。這主要是為了避免所謂的柵瓣，即天線傳輸模式中損耗功率的旁瓣。頻率越高，則波長越短。例如，L 波段的中心波長為 300 mm，Ku 波段的中心波長為 20 mm，后者各元件之間的間距更小。并且，無需任何機械轉向系統，可進一步減小了天線體積。 帶通濾波器：關鍵的衛星通訊組件 帶通濾波器可減少雜散信號，符合干擾合規性，并可最大限度地減少衛星通訊應用中的系統噪聲。在相控天線陣列中，這是一項艱巨的任務，因為空間有限，工作頻率高，并且需要精確濾波才能發揮衛星通訊系統的高速通信潛力。 工程師通常通過查看器件的 Q 值，來確定濾波器的性能如何。Q 值表示解決方案能在多大程度上阻止不需要的頻率并允許目標頻率通過。當相鄰通道靠近時，良好的選擇性至關重要，尤其是當設計人員試圖最大限度地利用可用帶寬時。 對于 Ku 波段的衛星通訊旁路濾波，有一些成熟的商用選擇。較好的選擇包括介質波導、金屬波導、印刷電路板帶狀線、低溫共燒陶瓷 (LTCC) 和陶瓷薄膜微帶。它們各有優缺點。例如，金屬波導是 70 GHz 以上頻率的最佳選擇，但體積大、價格貴；介質波導結構緊湊，但只能在 30 GHz 以下工作，并且頻率容差（與所需頻率的偏差測值）相對較差。 陶瓷旁路濾波器上的薄膜微帶為 Ku 波段下工作的相控天線陣列提供了最佳的全方位解決方案。它們可以在非常高的頻率下工作（僅次于金屬波導），最佳頻率容差為 0.3% 至 0.5%（最高），尺寸小于下一個最小選件 (LTCC) 的一半，并且能夠直接集成在天線的陣列元件后面（連同印刷電路板帶狀線和 LTCC）。 材料科學來救場 電介質的選擇對于陶瓷旁路濾波器上的微帶性能至關重要。通常緊湊型濾波器很難實現高 Q 值，但現代高介電常數 (“K”) 材料解決了這一挑戰。這些材料的缺點是頻率容差大——尤其是在溫度變化的情況下，但在真空中可承受的溫度變化范圍則較寬。 這就是 Knowles DLI 科學家們的研究領域。該公司在材料開發方面有著悠久的歷史，生產了用于陶瓷旁路濾波器微帶的電介質，克服了高 K 電介質的缺點。該公司利用這種材料制造了一系列緊湊型器件，工作溫度范圍寬，頻率容差小。這種電介質還有一個好處，即功率損耗低，可提高效率并有助于保持溫度穩定。 例如，該系列濾波器中的 B148QF0S 15 GHz 帶通濾波器就適合在 Ku 波段工作。該器件尺寸僅為 14 x 3.8 x 2.5 mm，適合 Ku 波段天線陣列元件的半波長間距限制。 它采用表面貼裝封裝，可實現自動化裝配，相比傳統的衛星通訊裝配芯片-導線或混合方法，降低了生產成本。SMD 組件也有助于加速產品上市。該產品的另一個優勢是薄膜制造能實現可重復的性能，因此無需進一步調整器件。 這種濾波器具有良好的選擇性， 相對于 18 - 12 = 6 GHz 的標稱 Ku 帶寬，實際帶寬（定義為 fH - fL，其中 fL 是低頻 -3 dB 截止頻率，fH 是高頻 -3 dB 截止頻率）為 19.2 - 11.4 = 7.8 GHz。需注意的是，在低頻和高頻截止點后，頻率響會迅速下降，直到達到低端或高端抑制點（B148QF0S 為 -40 dB）。好的選擇性數字為每十倍頻 15 至 20 dB 的梯度。對于 Knowles DLI 的帶通濾波器，該數字約為每十倍頻 15 dB（圖 2）。
圖 2：陶瓷帶通濾波器上 B148QF0S 微帶的頻率響應。該器件專為衛星通訊 Ku 波段工作而設計，中心頻率為 15 GHz，帶寬為 7.8 GHz。（圖片來源：Knowles DLI） 面向未來 隨著時間的推移，即使是 Ku 波段也會變得擁擠。所以工程師們已經開始針對 K（18 至 26 GHz）和 Ka 波段（26 至 40 GHz）設計衛星通訊系統。這意味著 SWaP 需求只會增加，而這種需求會推動 Ku 波段相控天線陣列的帶通濾波器開發。好消息是，經證明陶瓷帶通濾波器上的原型微帶可在高達 70 GHz 的頻率下工作，并且能處理高達 40 GHz 的商用器件已經上市。這使得這些產品不僅適合當前，也適合未來的先進衛星通訊應用。 結語 Knowles DLI 在高 K 介電材料方面的努力，開發出了高 Q 帶通濾波器，因此設計人員既能滿足 Ku 波段的需求，還能獲得諸如功率損耗低、效率提高、有助于溫度穩定等額外優勢。要突破困境就需要在 Ku 波段變得擁擠之際著手轉向 K 和 Ka 波段。屆時，原型工作頻率高達 70 GHz 的新材料將在這種較高頻率時代大展拳腳。 |
