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)”。星鏈計劃預定在2020 年代中段鋪設完成。如果項目一帆風順，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實際看到的設備，其整機架構和工作模式引起了行業(yè)內(nèi)廣泛的討論。我們針對陣面設計、散熱設計和整機相控陣部分的架構設計，給出了一些自己的觀點。

板子包括時射頻開關，時鐘相關電路，基帶，波束控制電路，集成度很高，POE電路電機電路，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用處理器和無線電前端單元，這兩個芯片都由意法半導體制造，意法半導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)星進行通信。意法半導體 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)字信號控制應用設計的Cortex M4內(nèi)核。

意法半導體目前列出了十二款基于該核心的MPU進行銷售，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與意法半導體制造協(xié)議的細節(jié)。根據(jù)細節(jié)，該公司可能向終端制造商支付了高達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，還需要相當長的時間。SpaceX公司因這些終端而承擔的虧損將通過公司通過該服務產(chǎn)生的運營利潤進行核算。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。

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重的陣元間互耦問題，不利于天線進行波束掃描。我們猜測是采用了EBG結構的或者高阻表面設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。關于圓極化的實現(xiàn)方式，我們猜測是由線極化單元旋轉饋電以產(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

根據(jù)POE供電功率極限推算，Dish整機功耗不會大于100W。Dish沒有采用風扇進行主動散熱，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計的理念。仔細思考和仿真后我們發(fā)現(xiàn)，正是因為其低于100W的整機功耗，使得該設計得以成功。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到天線罩的邊緣。對天線罩輻射面進行加熱。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，進一步加強。

關于該功能可以使用一個特殊設計的載波使得整機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熱和加熱邊緣的金屬涂層

整機架構猜想

關于相控陣天線的工作模式和系統(tǒng)架構，也是行業(yè)關注的重點，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：幫助進行熱量傳導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，所驅動的兩個天線會形成一個固定相位的子陣。這種構架在5G毫米波通信系統(tǒng)中也被應用。該設計能夠在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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責任編輯：haq