相控陣天線：它們能用嗎？

+ Marisa Torrieri《Via Satellite》/文 沈永言(中國衛(wèi)通) /譯

隨著更輕、更強(qiáng)天線需求的有增無減，開發(fā)商們正在積極應(yīng)戰(zhàn)。但是，這足以推動(dòng)市場(chǎng)向前嗎？

作為一名在電信、無線和衛(wèi)星通信行業(yè)工作20多年的人士，以及相控陣天線制造商Phasor的CEO，David Helfgott知道技術(shù)演進(jìn)可能一日千里。然而，他對(duì)此依然感到吃驚。僅在十年之前，即他仍在SES工作的2000年代中期，工程師們?nèi)σ愿懊τ趯V帶和寬帶衛(wèi)星應(yīng)用到陸地移動(dòng)車輛上，所使用的技術(shù)在今天看來可謂老掉牙。

Helfgott笑著回憶道，“我們弄了一堆射頻設(shè)備和一個(gè)大型半圓形1.2米機(jī)械調(diào)控天線，將它們捆綁到從eBay買來的悍馬上，來證明它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中能夠獲得5Mbps的速率。但是，鑒于當(dāng)時(shí)的設(shè)備重量和天線尺寸，這僅僅是個(gè)概念驗(yàn)證，而不是可行的商業(yè)解決方案，我們需要更好的解決方案。”

技術(shù)上，Helfgott提及的“大型半圓形天線”早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于Phasor，這家位于華盛頓特區(qū)的企業(yè)研發(fā)的電調(diào)控、高吞吐量、低輪廓相控陣天線，而且后者已整裝待發(fā)，準(zhǔn)備奔赴商業(yè)市場(chǎng)。

2018年3月初，Phasor宣布，在電調(diào)控相控陣天線應(yīng)用于非靜止軌道衛(wèi)星方面，它將與加拿大衛(wèi)星通信公司Kepler開展合作。Helfgott說，Phasor近期將宣布其它合作伙伴。

Helfgott從 2013年開始掌舵Phasor。他說：“對(duì)原有帶移動(dòng)基座的大拋物面天線、功放和上變頻器（BUC）之類電子設(shè)備進(jìn)行集成，以及專用集成電路（ASIC）的開發(fā)，這些花費(fèi)了我們五年半多的時(shí)間。如今我們準(zhǔn)備投放市場(chǎng)，時(shí)間非常有限。有了國防部門的資助，一百萬塊相控陣天線對(duì)于我們觸手可得。”

Helfgott 并不是唯一對(duì)將在下一波衛(wèi)星通信浪潮嶄露頭角的機(jī)靈天線持樂觀態(tài)度的人，這一波衛(wèi)星通信發(fā)展浪潮被正在興起的寬帶消費(fèi)需求和正在來臨的OneWeb和SpaceX之類LEO衛(wèi)星星座所驅(qū)動(dòng)。但是，如果你問衛(wèi)星行業(yè)中的其他人，他們會(huì)認(rèn)為相控陣天線拖的時(shí)間太長。太多的時(shí)間或許證明了它們的內(nèi)在價(jià)值吧。

雖然NSR最近發(fā)布的“平板衛(wèi)星天線第二版”報(bào)告預(yù)測(cè)，到2026年，平板天線（FPA）設(shè)備累計(jì)銷售量將達(dá)到91億塊，這主要是被航空行業(yè)所驅(qū)動(dòng)，但NSR研究人員毫不遲疑地認(rèn)為，成本和性能一直是制約平板天線發(fā)展的主要因素。NSR在報(bào)告中引用了一個(gè)著名的失敗風(fēng)投案例，即2014年9月松下航空與波音合營公司，致力于生產(chǎn)面向窄體客機(jī)的Ku頻段相控陣天線。事實(shí)表明，航線在購買高成本、高效率天線方面仍然持謹(jǐn)慎態(tài)度。

鑒于這些擔(dān)憂，這些明星企業(yè)真的在2017年做好了讓其相控陣天線一飛沖天的準(zhǔn)備？或者說，相控陣天線制造商是否低估了面臨的市場(chǎng)挑戰(zhàn)的難度，例如，這些天線是否可以在衛(wèi)星生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)以扣人心弦的價(jià)格提供服務(wù)？

Phasor 的六模航空用電掃描天線

機(jī)會(huì)多多

相控陣天線，這種由一群微小、緊湊的天線組成和控制的平板結(jié)構(gòu)在1950年代就出現(xiàn)了，那時(shí)這個(gè)技術(shù)被用于軍事用途（雖然很少報(bào)道，實(shí)際上第一個(gè)相控陣傳輸早在1900初就出現(xiàn)了）。

Helfgott 說：“當(dāng)時(shí)相控陣是復(fù)雜的、模擬的、不靈活的、功能非常有限的手工校準(zhǔn)事務(wù)?！?/p>

到2000年代初期，技術(shù)在繼續(xù)演進(jìn)，但是并沒有出色的商業(yè)應(yīng)用案例。主流的互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)地面無線技術(shù)仍處于被消費(fèi)者普遍接受的初期，所以，飛機(jī)上的YouTube流媒體視頻需求未能啟動(dòng)。然而到了今天，航空業(yè)開始熱衷于用平板天線來提供機(jī)載寬帶服務(wù)。

NSR分析師Dallas Kasaboski說：“扁平的輪廓更為誘人，而且如果安裝在飛機(jī)上，它的風(fēng)阻顯然更小。”

此外，在墨西哥和哥倫比亞之類新興市場(chǎng)，以及汽車和海事之類運(yùn)輸垂直市場(chǎng)的高速寬帶需求方面，都需要用到相控陣。與此同時(shí)，高通量（HTS）的發(fā)展和大量LEO和MEO衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃也在創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。

經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，相控陣天線已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，逐漸從機(jī)械調(diào)控“萬向頭”模式轉(zhuǎn)向電子調(diào)控的平板。最新種類的相控陣天線厚度更薄、輪廓更低、可靠性更高、增益非常之大。

ThinKom公司董事長和CTO William Milroy說：“當(dāng)我們走向HTS時(shí)代，天線帶寬要求更寬，運(yùn)營商正在向天線制造商施壓，以創(chuàng)造出能在更高頻段工作的設(shè)備來?！弊罱?，Hawthorne，這家生產(chǎn)軍用和商用相控陣天線的加州公司與機(jī)載連接（IFC）提供商Gogo結(jié)成合作伙伴，向其2Ku產(chǎn)品線提供天線技術(shù)。

對(duì)于C-COM這樣一家有20多年固定和移動(dòng)VSAT車頂天線生產(chǎn)歷史的公司來講，相控陣天線技術(shù)對(duì)移動(dòng)車輛通信更為迫切。這家位于Ontario的機(jī)構(gòu)最近宣布與滑鐵盧大學(xué)合作，來研究適應(yīng)未來應(yīng)用的相控陣技術(shù)。

Bilal Awada，C-COM CTO說：“我們的確看過其他技術(shù)，但是，相控陣的最大優(yōu)勢(shì)是可以電子調(diào)控波束，或者混合應(yīng)用電子和機(jī)械調(diào)控。我們認(rèn)為，技術(shù)上可以將成本做得更低，這正是我們的打算。我們希望天線用得起、可擴(kuò)展，相控陣是我們的自然選擇?！?/p>

相控陣天線制造商削減成本的方式之一是使用低成本材料，并進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

Milroy說：“OneWeb正在談?wù)撛谖迥陜?nèi)部署500萬個(gè)終端，所以這些價(jià)格目標(biāo)必將非常低。我們的成本非常有彈性。在大規(guī)模生產(chǎn)條件下，我們將天線價(jià)格控制在1000美元以下沒有太大的挑戰(zhàn)。其原因是我們不使用太多的元件…我們正在該領(lǐng)域使用金屬化塑料，這很容易壓低價(jià)格，我們不需要購買或安裝太多的射頻或電子元件。此外，我們不是在昂貴或有損耗的電介質(zhì)或超材料上傳播，我們是在空氣中上傳播…應(yīng)用那種材料將難于控制損耗或成本?！?/p>

只是一個(gè)相位

Nathan Kundtz，天線制造商Kymeta的董事長和CEO，總體上對(duì)相控陣持謹(jǐn)慎態(tài)度。雖然Kundtz公開贊賞相控陣天線的工程和設(shè)計(jì)，但他卻難以下決心購買。

Kundtz說：“如果看看那些已經(jīng)生產(chǎn)電調(diào)控天線的公司，如波音、洛馬等，它們實(shí)際上是非常昂貴的高技術(shù)設(shè)備。這主要是由要讓數(shù)千個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)的單元有條不紊地一起工作造成的。構(gòu)成一塊接收相控陣天線的數(shù)千個(gè)小單元相互之間必須進(jìn)行相位調(diào)整。它們不得不在變化的溫度和苛刻的環(huán)境下超時(shí)工作，此外，還要?jiǎng)討B(tài)控制耗電的移相器，以及功放和其他部件的功耗?！?/p>

由于這些原因，Kymeta放棄了相控陣架構(gòu)，將重心放在完全不同類型的平板天線上，它由在全息面板上的完全不同的材料構(gòu)成。

Kundtz說：“顯然，人們努力在使相控陣天線變得更便宜，但他們忽視了集成成本、系統(tǒng)成本、功耗成本等事實(shí)。發(fā)送和收孔徑的結(jié)合并非許多平臺(tái)可以對(duì)付。我們認(rèn)為，相控陣架構(gòu)不是我們的目標(biāo)，我們要另辟蹊徑。我們不用昂貴的、耗電的部件。我們用單一的LNB和高功放來收發(fā)，這是衛(wèi)星行業(yè)的傳統(tǒng)做法。天線本身同樣是無源結(jié)構(gòu)，這意味著無需動(dòng)態(tài)控制移相器。這最終意味著天線更輕、更小，功耗更低?！?/p>

John Finney，Isotropic創(chuàng)始人說：“目前相控陣天線和平板天線的問題是，它們不可能把饋源數(shù)量和天線掃面性能分開考慮?！?/p>

Finney說：“當(dāng)我們分析技術(shù)商品化時(shí)，這個(gè)問題顯而易見。如果有一個(gè)65-70厘米的Ku天線，你實(shí)際需要數(shù)千個(gè)饋源。這個(gè)數(shù)目的多少取決于天線大小，但總是需要難以置信的饋源數(shù)來擴(kuò)大掃描角度，以實(shí)現(xiàn)在任何方向產(chǎn)生波束。到目前為止，沒有辦法如人們所愿，來減少?zèng)Q定相控陣成本和性能的部件。”

由于成本和部署上的挑戰(zhàn)，通過平板和萬向節(jié)天線，為西南航空等航線提供Ku和Ka頻段飛機(jī)連接的Global Eagle希望在一兩年內(nèi)擁有早期版本的平板天線，但是成熟起來差不多需要四年時(shí)間。

Global Eagle研發(fā)總工和副總裁Simon McLellan說：“每個(gè)人對(duì)下一代天線都抱有非常樂觀和積極的態(tài)度，但是真正的突破是在飛機(jī)上提供100Mbps速率的經(jīng)濟(jì)性，但它花費(fèi)不菲。你能創(chuàng)造一個(gè)在飛機(jī)上為高速上網(wǎng)支付30、40美元的案例嗎？某些人可以，但需要權(quán)衡。隨著衛(wèi)星成本的下降，我們可以在無需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備做大的技術(shù)升級(jí)前提下來權(quán)衡?！?/p>

McLellan注意到新技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品必須聚焦在效率上。

McLellan說：“過去人們比較關(guān)注吞吐量，宣傳使用數(shù)量。但是，如果系統(tǒng)運(yùn)作起來沒有效率，就沒有收入來支持它們。對(duì)于GEO衛(wèi)星，平板天線的效率不定，緯度超過60度可能效率極低。這種情況直到LEO/MEO星座出現(xiàn)后才有所改觀，此時(shí)衛(wèi)星在天線的上方，這最終讓平板天線獲得了效率。”

繼續(xù)前行

Milroy認(rèn)為，由于天線能否滿足衛(wèi)星行業(yè)需求問題懸而未決，市場(chǎng)對(duì)相控陣天線的期待是復(fù)雜的。未來，跟上技術(shù)進(jìn)步步伐以及產(chǎn)業(yè)生態(tài)上的約束將是新的挑戰(zhàn)。尤其是，保持技術(shù)敏捷性將是天線制造商的更大挑戰(zhàn)。

Milroy說：“在OneWeb、SpaceX之類的LEO/MEO系統(tǒng)中，衛(wèi)星將在天空中移動(dòng)，我們也會(huì)移動(dòng)，所以更高掃描靈敏性非常重要。你需要跟蹤這些衛(wèi)星……但是，你同樣需要進(jìn)行快速的衛(wèi)星切換，因?yàn)槿魏涡l(wèi)星過頂?shù)臅r(shí)間都是非常有限的。所以，客戶要求更高的波束靈敏性?！?/p>

此外，隨著衛(wèi)星提供商轉(zhuǎn)向更高的頻段，天線設(shè)計(jì)者必將要調(diào)整天線結(jié)構(gòu)，這是毫無疑問的事情。

Milroy說：“Ku是常用的頻段，SpaceX正計(jì)劃用這個(gè)頻段，而OneWeb正在使用它，因此，對(duì)干擾問題的擔(dān)憂將會(huì)更多。因此，從天線的視角看，我們必須在控制天線旁瓣、匯聚波束能量上做更多的工作?！?/p>

可是，相控陣天線制造商們說它們將迎接這個(gè)挑戰(zhàn)。

Milroy說：“我們將從衛(wèi)星在天上不動(dòng)的領(lǐng)域轉(zhuǎn)向衛(wèi)星在天上移動(dòng)的領(lǐng)域，你必須在衛(wèi)星之間進(jìn)行切換。所以，如何指向波束、如何快速移動(dòng)波束、如何快速跟蹤波束等方面的所有管理，都是我們需要根據(jù)變化來面對(duì)的事情?！?/p>

后相控陣天線市場(chǎng)仍火熱

由于移動(dòng)衛(wèi)星星座時(shí)代機(jī)會(huì)多多，平板天線將炙手可熱。所以，不是所有的人將賭注壓在相控陣天線上，來獲得市場(chǎng)份額。雖然這種由數(shù)千個(gè)小天線構(gòu)成的天線在技術(shù)上誘人，許多人認(rèn)為它們不太可能以合適的價(jià)格投放市場(chǎng)。

這樣，一大批剛冒出的天線制造商都在推出同樣值得關(guān)注的設(shè)備，他們相信，這些設(shè)備在新應(yīng)用和新市場(chǎng)中將更能出人頭地。

作為后相控陣運(yùn)動(dòng)中最知名的平板天線制造商之一和衛(wèi)星技術(shù)提供商，Kymeta希望它的全息平板天線是汽車、飛機(jī)、輪船等有更高可靠性應(yīng)用要求領(lǐng)域的理想選擇。與其它平板天線相比，這種天線的功耗很小。Kymeta的CEO Nathan Kundtz說：“這種由一系列工作于特定頻率的諧振器構(gòu)成的平板，其生產(chǎn)方式實(shí)際與液晶顯示屏相同。目前，其熱門制造商是松下電子，用的生產(chǎn)線與電視顯示屏相同。關(guān)鍵是電視的生產(chǎn)價(jià)格已經(jīng)廣為人知，一套價(jià)值2500億美元的生產(chǎn)設(shè)施、具有數(shù)十年規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)擺在那里?！?/p>

具有兩年發(fā)展歷史的衛(wèi)星通信開發(fā)商Isotropic最近在第二輪融資中獲得了500萬美元，它同樣在未來的后相控陣天線上下了賭注。

Isotropic創(chuàng)始人John Finney說：“我們需要徹底顛覆相控陣系統(tǒng)的成本，來滿足下一代衛(wèi)星系統(tǒng)的商業(yè)需求。我們天線的性能與相控陣旗鼓相當(dāng)，但是我們的制造成本目標(biāo)是其的十分之一?！?/p>