产业观察 | 相控阵天线:它们能用吗?

达华卫星通信2020-09-16 07:18:44

随着更轻、更强天线需求的有增无减,开发商们正在积极应战。但是,这能足以推动市场向前吗?

作为一名在电信、无线和卫星通信行业工作20多年的人士,以及相控阵天线制造商Phasor的CEO,David Helfgott知道技术演进可能一日千里。然而,他对此依然感到吃惊。仅在十年之前,即在SES工作的2000年代中期,工程师们全力以赴忙于将广带和宽带卫星应用到陆地移动车辆上,所使用的技术在今天看来可谓老掉牙。

Helfgott笑着回忆道,“我们弄了一堆射频设备和一个大型半圆形1.2米机械调控天线,将它们捆绑到从eBay买来的悍马上,来证明它们在运动中能够获得5Mbps的速率。但是,鉴于当时的设备重量和天线尺寸,这仅仅是个概念验证,而不是可行的商业解决方案,我们需要更好的解决方案。”

技术上,Helfgott提及的“大型半圆形天线”早已远远落后于Phasor,这家位于华盛顿特区的企业研发的电调控、高吞吐量、低轮廓相控阵天线,而且后者已整装待发,准备奔赴商业市场。

Phasor 的六模航空用电扫描天线

2018年3月初,Phasor宣布,在电调控相控阵天线应用于非静止轨道卫星方面,它将与加拿大卫星通信公司Kepler开展合作。Helfgott说,Phasor近期将宣布其它合作伙伴。

Helfgott从 2013年开始掌舵Phasor。他说:“对原有带移动基座的大抛物面天线、功放和上变频器(BUC)之类电子设备进行集成,以及专用集成电路(ASIC)的开发,这些花费了我们五年半多的时间。如今我们准备投放市场,时间非常有限。有了国防部门的资助,一百万块相控阵天线对于我们触手可得。”

Helfgott 并不是唯一对将在下一波卫星通信浪潮崭露头角的机灵天线持乐观态度的人,这一波卫星通信发展浪潮被正在兴起的宽带消费需求和正在来临的OneWeb和SpaceX之类LEO卫星星座所驱动。但是,如果你问卫星行业中的其他人,他们会认为相控阵天线拖得时间太长。太多的时间或许证明了它们的内在价值吧。

虽然NSR最近发布的“平板卫星天线第二版”报告预测,到2026年,平板天线(FPA)设备累计销售量将达到91亿块,这主要是被航空行业所驱动,但NSR研究人员毫不迟疑地认为,成本和性能一直是制约平板天线发展的主要因素。NSR在报告中引用了一个著名的失败风投案例,即2014年9月松下航空与波音合营公司,致力于生产面向窄体客机的Ku频段相控阵天线。事实表明,航线在购买高成本、高效率天线方面仍然持谨慎态度。

鉴于这些担忧,这些明星企业真的在2017年做好了让其相控阵天线一飞冲天的准备?或者说,相控阵天线制造商是否低估了面临的市场挑战的难度,例如,这些天线是否可以在卫星生态系统内以扣人心弦的价格提供服务?

机会多多

相控阵天线,这种由一群微小、紧凑的天线组成和控制的平板结构在1950年代就出现了,那时这个技术被用于军事用途(虽然很少报道,实际上第一个相控阵传输早在1900初就出现了)。

Helfgott 说:“当时相控阵是复杂的、模拟的、不灵活的、功能非常有限的手工校准事务。”

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到2000年代初期,技术在继续演进,但是并没有出色的商业应用案例。主流的互联网和移动地面无线技术仍处于被消费者普遍接受的初期,所以,飞机上的YouTube流媒体视频需求未能启动。然而到了今天,航空业开始热衷于用平板天线来提供机载宽带服务。

NSR分析师Dallas Kasaboski说:“扁平的轮廓更为诱人,而且如果安装在飞机上,它的风阻显然更小。”

此外,在墨西哥和哥伦比亚之类新兴市场,以及汽车和海事之类运输垂直市场的高速宽带需求方面,都需要用到相控阵。与此同时,高通量(HTS)的发展和大量LEO和MEO卫星发射计划也在创造新的机会。

经过精心设计,相控阵天线已经取得了长足的进步,逐渐从机械调控“万向头”模式转向电子调控的平板。最新种类的相控阵天线厚度更薄、轮廓更低、可靠性更高、增益非常之大。

ThinKom公司董事长和CTO William Milroy说:“当我们走向HTS时代,天线带宽要求更宽,运营商正在向天线制造商施压,以创造出能在更高频段工作的设备来。”最近,Hawthorne,这家生产军用和商用相控阵天线的加州公司与机载连接(IFC)提供商Gogo结成合作伙伴,向其2Ku产品线提供天线技术。

对于C-COM这样一家有20多年固定和移动VSAT车顶天线生产历史的公司来讲,相控阵天线技术对移动车辆通信更为迫切。这家位于Ontario的机构最近宣布与滑铁卢大学合作,来研究适应未来应用的相控阵技术。

Bilal Awada,C-COM CTO说:“我们的确看过其他技术,但是,相控阵的最大优势是可以电子调控波束,或者混合应用电子和机械调控。我们认为,技术上可以将成本做得更低,这正是我们的打算。我们希望天线用得起、可扩展,相控阵是我们的自然选择。”

相控阵天线制造商削减成本的方式之一是使用低成本材料,并进行大规模生产。

Milroy说:“OneWeb正在谈论在五年内部署500万个终端,所以,所以这些价格目标必将非常低。我们的成本非常有弹性。在大规模生产条件下,我们将天线价格控制在1000美元以下没有太大的挑战。其原因是我们不使用太多的元件…我们正在该领域使用金属化塑料,这很容易压低价格,我们不需要购买或安装太多的射频或电子元件。此外,我们不是在昂贵或有损耗的电介质或超材料上传播,我们是在空气中上传播…应用那种材料将难于控制损耗或成本。”

只是一个相位

Nathan Kundtz,天线制造商Kymeta的董事长和CEO总体上对相控阵持谨慎态度。虽然Kundtz公开赞赏相控阵天线的工程和设计,但他却难以下决心购买。

Kundtz说:“如果看看那些已经生产电调控天线的公司,如波音、洛马等,它们实际上是非常昂贵的高技术设备。这主要是由要让数千个独立调节的单元有条不紊地一起工作造成的。构成一块接收相控阵天线的数千个小单元相互之间必须进行相位调整。它们不得不在变化的温度和苛刻的环境下超时工作,此外,还要动态控制耗电的移相器,以及功放和其他部件的功耗。”

由于这些原因,Kymeta放弃了相控阵架构,将重心放在完全不同类型的平板天线上,它由在全息面板上的完全不同的材料构成。

Kundtz说:“显然,人们努力在使相控阵天线变得更便宜,但他们忽视了集成成本、系统成本、功耗成本等事实。发送和收孔径的结合并非许多平台可以对付。我们认为,相控阵架构不是我们的目标,我们要另辟蹊径。我们不用昂贵的、耗电的部件。我们用单一的LNB和高功放来收发,这是卫星行业的传统做法。天线本身同样是无源结构,这意味着无需动态控制移相器。这最终意味着天线更轻、更小,功耗更低。”

John Finney,Isotropic创始人说:“目前相控阵天线和平板天线的问题是,它们不可能把馈源数量和天线扫面性能分开考虑。”

Finney说:“当我们分析技术商品化时,这个问题显而易见。如果有一个65-70厘米的Ku天线,你实际需要数千个馈源。这个数目多少取决于天线大小,但总是需要难以置信的馈源数来扩大扫描角度,以实在在任何方向产生波束。到目前为止,没有办法如人们所愿,来减少决定相控阵成本和性能的部件。”

由于成本和部署上的挑战,通过平板和万向节天线,为西南航空等航线提供Ku和Ka频段飞机连接的Global Eagle希望在一两年内拥有早期版本的平板天线,但是成熟起来差不多需要四年时间。

Global Eagle研发总工和副总裁Simon McLellan说:“每个人对下一代天线都抱有非常乐观和积极的态度,但是真正的突破是在飞机上提供100Mbps速率的经济性,但它花费不菲。你能创造一个在飞机上为高速上网支付30、40美元的案例吗?某些人可以,但需要权衡。随着卫星成本的下降,我们可以在无需对现有设备做大的技术升级前提下来权衡。”

McLellan注意到新技术开发和产品必须聚焦在效率上。

McLellan说:“过去人们比较关注吞吐量,宣传使用数量。但是,如果系统运作起来没有效率,就没有收入来支持它们。对于GEO卫星,平板天线的效率不定,纬度超过60度可能效率极低。这种情况直到LEO/MEO星座出现后才有所改观,此时卫星在天线的上方,这最终让平板天线获得了效率。”

继续前行

Milroy认为,由于天线能否满足卫星行业需求问题悬而未决,市场对相控阵天线的期待是复杂的。未来,跟上技术进步步伐以及产业生态上的约束将是新的挑战。尤其是,保持技术敏捷性将是天线制造商的更大挑战。

Milroy说:“在OneWeb、SpaceX之类的LEO/MEO系统中,卫星将在天空中移动,我们也会移动,所以更高扫描灵敏性非常重要。你需要跟踪这些卫星……但是,你同样需要进行快速的卫星切换,因为任何卫星过顶的时间都是非常有限的。所以,客户要求更高的波束灵敏性。”

此外,随着卫星提供商转向更高的频段,天线设计者必将要调整天线结构,这是毫无疑问的事情。

Milroy说:“Ku是常用的频段,SpaceX正计划用这个频段,而OneWeb正在使用它,因此,对干扰问题的担忧将会更多。因此,从天线的视角看,我们必须在控制天线旁瓣、汇聚波束能量上做更多的工作。”

可是,相控阵天线制造商们说它们将迎接这个挑战。

Milroy说:“我们将从卫星在天上不动的领域转向卫星在天上移动的领域,你必须在卫星之间进行切换。所以,如何指向波束、如何快速移动波束、如何快速跟踪波束等方面的所有管理,都是我们需求根据变化来面对的事情。”

后相控阵天线市场仍火热

由于移动卫星星座时代机会多多,平板天线将炙手可热。所以,不是所有的人将赌注压在相控阵天线上,来获得市场份额。虽然这种由数千个小天线构成的天线在技术上诱人,许多人认为它们不太可能以合适的价格投放市场。

这样,一大批刚冒出的天线制造商都在推出同样值得关注的设备,他们相信,这些设备在新应用和新市场中将更能出人头地。

作为后相控阵运动中最知名的平板天线制造商之一和卫星技术提供商,Kymeta希望它的全息平板天线是汽车、飞机、轮船等有更高可靠性应用要求领域的理想选择。与其它平板天线相比,这种天线的功耗很小。Kymeta的CEO Nathan Kundtz说:“这种由一系列工作于特定频率的谐振器构成的平板,其生产方式实际与液晶显示屏相同。目前,其热门制造商是松下电子,用的生产线与电视显示屏相同。关键之处是电视的生产价格已经广为人知,一套价值2500亿美元的生产设施、具有数十年规模生产的经验摆在那里。”

具有两年发展历史的卫星通信开发商Isotropic最近在第二轮融资中获得了500万美元,它同样在未来的后相控阵天线上下赌注。

Isotropic创始人John Finney说:“我们需要彻底颠覆相控阵系统的成本,来满足下一代卫星系统的商业需求。我们天线的性能与相控阵旗鼓相当,但是我们的制造成本目标是其的十分之一。”

本文转载自《卫星与网络》,翻译自文章《Phased Array Antennas: Can they Deliver?》,转载及引用部分观点至微信公众号或其它新媒体平台、及网站,请在文首注明出处、公众号ID及作者。感谢支持有态度的媒体!如文中图片或文字侵犯了您的权益,请联系我们