Satellite

В обзоре представлены направления научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, которые активно проводятся в настоящее время во многих странах с целью поиска технологий создания плоских антенн со сканированием лучом для наземных терминалов спутниковой связи. Среди многочисленных решений в статье отмечены те, которые на взгляд авторов являются наиболее перспективными.

In our article we review and suggest categorization of various engineering approaches used to develop satellite communication ground terminal flat-panel scanning antenna. Among many solutions we highlight the several of the most promising technologies and concepts.

В последнее десятилетие во многих странах мира активно проводятся поисковые НИР и ОКР, целью которых является поиск технических решений для создания недорогих плоских сканирующих антенн (Flat-panel antennas, FPA). Сегодня главным драйвером для этого является возрастающее количество планируемых сценариев предоставления услуг широкополосного доступа (ШПД) на подвижных объектах.

Различные реализации FPA известны достаточно давно, однако до сих пор они относились к классу оборудования, не предназначенного для массового применения. Отсутствие на рынке недорогих пользовательских терминалов с плоской сканирующей антенной часто обозначается как проблема, ограничивающая коммерциализацию новых низкоорбитальных систем спутникового ШПД, в создание которых вкладываются миллиарды долларов, поэтому работой в этом направлении занимаются большое количество инженерных и научных коллективов во всем мире.

В процессе решения задачи достижения приемлемых для массового рынка параметров FPA проводятся исследования возможности улучшения их радиотехнических и эксплуатационных характеристик и, главное, снижения себестоимости FPA в производстве. В результате появляется множество новых подходов к построению таких антенн. В статье мы предлагаем классификацию присутствующих на рынке антенных решений, обзор существующих технологий построения FPA и анализ их перспективности на рынке спутникового ШПД.

На текущий момент заявлено к созданию порядка 10 низкоорбитальных спутниковых группировок ШПД. Некоторые из них уже находятся на стадии тестирования, а ряд на стадии активной разработки. Общей проблемой для всех подобных проектов является доступный для конечного пользователя абонентский терминал. На рынке существуют несколько решений, однако ни одно из них пока не приблизилось к целевому показателю стоимости.

Можно выделить 6 основных перспективных направлений построения FPA. Это использование

• радиочастотных интегральных схем (RF ASIC);

• аналоговых методов диаграммообразования;

• методов радиофотоники;

• цифровых антенных решеток;

• квазиоптических антенн;

• антенн поверхностной волны.

Первые четыре направления являются различными вариациями хорошо известных в антенной технике фазированных антенных решеток (ФАР). Пятое направление квазиоптических антенн также известно достаточно давно. Шестое направление антенн поверхностной волны (АПВ) является сравнительно новым и слабо исследованным. Антеннам поверхностной волны в данном обзоре уделено особое внимание. Поясним суть отличий антенн поверхностной волны от фазированных антенных решеток.

В ФАР антенные элементы являются резонансными структурами, расположенными с шагом около половины длины волны. За счет параллельного возбуждения элементов в определенной фазе с помощью диаграммообразующей схемы в раскрыве антенны формируется необходимое амплитудно-фазовое распределение поля, которое определяет диаграмму направленности в дальней зоне. В АПВ элементы расположены с шагом существенно меньше длины волны и не являются резонансными структурами. Возбуждение полотна антенны осуществляется поверхностной волной, а параметры излучения определяются законом распределения элементов и их геометрией. Исследованию АПВ посвящено большое количество статей в научной литературе в последнее десятилетие.

Далее проведем обзор каждого из обозначенных направлений в отдельности.

Радиочастотные интегральные схемы (RF ASIC)

Идея: Перенос максимального числа РЧ цепей на одну интегральную микросхему.

RF ASIC (также используется название beamformer) интегральная микросхема, на которую переносятся радиочастотные цепи, отвечающие за формирование диаграммы направленности и первичную аналоговую обработку сигнала. Антенна представляет собой многослойную печатную плату, на верхней стороне которой находятся антенные элементы и часть пассивной схемотехники. На нижней стороне платы находится массив микросхем RF ASIC и управляющая электроника, формирующие требуемое амплитудно-фазовое распределение и диаграмму направленности. Ключевые элементы диаграммообразующей схемы фазовращатели выполнены на основе полупроводниковых управляющих элементов (например, pin-диодов или варакторов).

Компании-разработчики: Anokiwave [1], IDT Renesas [2], Analog Devices [3], Xphased [4], HiSkySat [5].

Преимущества: Возможность создавать компактные ФАР на печатной плате, легко достигать серийности производства, известная физика сканирования.

Недостатки: Стоимость RF ASIC, реализация частотного дуплекса, коэффициент шума и шумовая добротность G/T.

Примеры: Первый терминал для спутниковой группировки Starlink построен на микросхемах RF ASIC [6].

Аналоговые ФАР

Идея: Поиск оптимального варианта реализации СВЧ фазовращателя.

Микрополосковая или другая СВЧ линия передачи диаграммообразующей схемы помещается в среду, параметры которой (как правило диэлектрическая проницаемость) изменяются под внешним воздействием (как правило электрическим полем). Это позволяет изменять электрическую длину линии, и таким образом формировать требуемую диаграмму направленности за счет изменения фазового распределения в апертуре. В качестве среды с управляемыми параметрами могут используются жидкие кристаллы (ЖК), сегнетоэлектрики, ферриты и др. Данный подход позволяет отойти от использования микросхем, за счет чего существенно снизить стоимость антенны. При применении в качестве управляемой среды жидких кристаллов появляется возможность использования для производства FPA хорошо освоенных технологий изготовления ЖК дисплеев.

Компании-разработчики: ALCAN Systems [7], Wafer [8].

Преимущества: Отказ от микросхем, известная физика сканирования.

Недостатки: Более сложная технология изготовления чем у ФАР на RF ASIC, температурная зависимость параметров управляемой среды.

Примеры: Фирма ALCAN Systems представила ряд прототипов построения ФАР на жидких кристаллах [9].

Радиооптические ФАР

Идея: Формирование диаграммы направленности в оптическом диапазоне.

В настоящее время, развитие радиофотоники позволяет использовать оптоволоконный интерфейс для передачи принятых элементами антенной решетки радиосигналов, путем их переноса на оптическую несущую. Также на оптической несущей с использованием оптоэлектронных устройств происходит формирование диаграммы направленности. Затем происходит обратный перенос сигнала с оптического в радиочастотный диапазон с его последующей оцифровкой.

Компании-разработчики: AIM Photonics [10], Photonics21 [11], EPIC [12], Analog Photonics [13].

Преимущества: Обработка сигнала на оптической несущей позволяют делать много-октавные рабочие полосы, создавать распределенные антенные системы. Кроме того, РОФАР потенциально обладают повышенным быстродействием, энергоэффективностью, высокой помехозащищенностью по сравнению с обычными радиочастотными ФАР.

Недостатки: РОФАР структурно сложны, имеют высокую стоимость и на текущий момент находятся в исследовательском поле.

Примеры: Концерн ВЕГА от Росэлектроники завершил испытания макета РОФАР [14]. Также есть несколько иностранных проектов, в частности PHODIR [15].

Цифровые антенные решетки

Идея: Прямая оцифровка сигнала и формирование диаграммы направленности в цифровом виде.

Оцифровка сигналов элементов антенной решетки может производиться как прямым методом - переносом сигнала в определенную зону Найквиста, так и с преобразованием частоты вниз. Как правило используется одно преобразование частоты. Амплитудно-фазовое распределение формируется в цифровом виде. Существуют гибридные схемы ЦАР, где часть каналов объединяется с фазированием на векторном модуляторе. FPA на ЦАР обладают предельной гибкостью, поскольку позволяют получать в цифровом виде всю информацию о структуре поля в раскрыве антенны, что необходимо для многолучевых сценариев работы и сложных сюжетов пространственной обработки. Общая производительность антенны определяется вычислительной способностью модуля цифровой обработки.

Компании-разработчики: SatixFy [16], Texas instruments [17], Analog Devices [18].

Преимущества: Предельная гибкость по числу лучей и сюжетам пространственной обработки сигналов.

Недостатки: Техническая сложность, работа с предельно большим потоком данных, высокая стоимость.

Примеры: Компания SatixFy представила рынку свое решение для задач спутникового интернета вещей [19], планируется создание антенны для спутникового ШПД. Также хорошо известен проект MIDAS от DARPA [20].

Квазиоптические антенны

Идея: Использование в качестве диаграммообразующей схемы радиолинз.

Известно два основных подхода к диаграммообразованию с использованием радиолинз. В первом случае для сканирования используется переключение между выходами многолучевых антенн, построенных на основе линз Ротмана и Люнеберга. Линзы могут быть выполнены в плоском виде. Во втором случае радиолинза фокусирует поле принимаемого сигнала на один из элементов вторичной решетки. Каждый элемент вторичной решетки соответствует своему направлению прихода волны, а сканирование осуществляется за счет коммутации элементов. Таким образом построена антенна компании Isotropic Solutions.

N

Компании-разработчики: Isotropic Systems [21].

Преимущества: Отказ от микросхем, схема диаграммообразования - рисунок на печатной плате.

Недостатки: Потери в линзе (в случае линзы Ротмана), громоздкая схема.

Примеры: Фирма Isotropic Solutions разработала терминал на радиолинзах [22]. Также существует большое число исследований по теме многолучевых антенн на основе линз Люнеберга и Ротмана.

Антенны поверхностных волн

Идея: Возбуждение излучающей поверхностной волны и управление ей за счет модуляции параметров поверхности.

Антенны поверхностных волн также иногда называют антеннами на метаповерхностях и антеннами с голографическим диаграммообразованием. Антенна представляет собой поверхность, по которой распространяется поверхностная волна, чаще всего TM типа. За счет модуляции параметров поверхности часть энергии волны излучается в пространство в виде электромагнитного поля с необходимыми направлением и поляризацией. Антенна поверхностной волны не требует для управления лучом фазовращателей или большого числа микросхем, но при этом имеет более сложную физику работы, чем фазированные антенные решетки. Технологически она может быть выполнена в виде плоской волноведущей структуры с большим количеством одинаковых управляющих элементов. На текущий момент на рынке существуют антенны подобного типа на основе жидких кристаллов и варакторных диодов. В академическом поле ведутся исследования альтернативных методов, связанных с управляемыми фазовыми переходами в некоторых материалах (VO2, GeTe, BTO и др.), суперпарамагнетиками, магнитореалогическими эластомерами и др.

Компании-разработчики: Kymeta [23], Pivotal [24], WaveUp [25], MatrixWave [26].

Преимущества: предельная простота структуры антенны, технологичность изготовления, любая форма и геометрия.

Недостатки: сложная физика работы, многие идеи находятся в академическом поле и требуют дополнительных исследований.

Примеры: Компания Kymeta представила рынку антенну на основе поверхностных волн [27].

Заключение

Как видно, в мире имеется достаточно большое количество фирм, ведущих разработки антенн с управлением лучом на различных принципах функционирования. Какие из них займут место на рынке, мы увидим в ближайшие годы. По нашему мнению, наиболее перспективным и интересным направлением создания сканирующих антенн для массовых применений являются антенны поверхностных волн. Компания Kymeta уже показала на практике возможность отхода от стандартной парадигмы ФАР. Следует также отметить компанию Pivotal, которая разработала АПВ на одной многослойной печатной плате, что говорит о потенциале снижения стоимости таких антенн. Вполне возможно, что именно в этом направлении в ближайшие годы мы увидим существенные прорывы. Кроме того, в настоящее время ведутся исследования консорциумами во главе с Intel и IBM в области материалов с управляемым фазовым переходом, исследуются различные магнитные пленки с управляемыми параметрами. Это создает дополнительные предпосылки для создания новых антенн на поверхностных волнах с управлением лучом. С другой стороны, совершенно очевиден массовый приход на рынок ФАР на RF ASIC. Дальше этот подход будет постепенно преобразовываться в ЦАР, поскольку они являются наиболее гибким и эффективным решением, которое фактически позволяет напрямую оцифровывать поле в раскрыве антенны, и получать за счет этого почти неограниченную функциональность. Однако ключевыми стоп-факторами RF ASIC и ЦАР на сегодняшний день являются стоимость интегральных микросхем и сложность обработки больших потоков цифровых данных. Скорее всего, в горизонте 5 лет появятся гибридные решения на основе RF ASIC ЦАР и антенн на поверхностных волнах.

Ведение космических проектов имеет свои особенности, которые зачастую выходят далеко за границы проектирования плат и схем. В обзорной статье автор кратко знакомит читателя с аспектами, характерными для разработки электроники в космической отрасли.

Оловянные усы и защитное покрытие

Начнем с необычного. Автор не сомневается, что всем разработчикам сверхнадежных систем хорошо знакомо явление под названием оловянные усы (tin whiskers) тонкие длинные кристаллы-нити, которые могут вырастать из поверхностей выводов микросхем или припоя.

Растут они довольно быстро, настолько, что спустя месяцы эти усы могут просто замкнуть соседние выводы. Один из вариантов нейтрализации этого процесса нанесение определенного защитного покрытия, выбор которого не нетривиален.

В то же самое время стоит отдавать себе отчет в том, что неверный выбор покрытия может не только обесценить попытки предотвращения роста усов, но и серьезно снизить общую надёжность устройства.
Автору как-то довелось анализировать причины неадекватно низких показателей прохождения стресс-тестов одним из устройств-компонентов спутника. Самое удивительное в результатах исследования заключалось в том, что именно покрытие, призванное предотвратить рост усов, приводило к раннему отказу из-за механических повреждений при термоциклировании: этого дизайнеры устройста представить себе никак не могли, хотя, разумеется, явление не ново и хорошо описано в литературе.

Механические нагрузки

А вот другой пример: во время запуска носителя электроника подвергается серьезному механическому стрессу из-за вибраций и шоков, и одна из задач инженера предусмотреть области на плате для подклейки тяжелых компонентов.

Иногда же вовсе вопрос решается полной заливкой компаундом (potting). Помимо повышения устойчивости к механическим нагрузкам, этот прием позволяет помочь отъему тепла от греющихся компонентов и равномерно распределить энергию по объему компаунда.

Температура в космосе

С температурой не всё так однозначно, потому что многие факторы играют роль: локация узла в пределах спутника, орбита, инсоляция, ориентация спутника. Если мы говорим об аппарате на LEO (Low Earth Orbit), сам блок стоит внутри аппарата, а система термоконтроля и термобаланса адекватна задаче, то температура большую часть времени будет в среднем держаться в районе 15C. При уходе спутника в тень Земли на 30 минут она может падать до 5C-10C, а потом, при возвращении на освещенную сторону, снова подниматься до 15C-20C.

Если мы говорим об устройстве, расположенном на внешней стороне аппарата, например, об антенне SAR (Synthetic-aperture radar), то при повороте в сторону глубокого космоса температура может упасть до -70C в пределах десятков минут или часов. Это представляет опасность, поскольку речь заходит о предельных значениях не только для automotive grade компонентов (которые часто идут в ход в молодых New Space стартапах), но и вполне себе Military grade, которые сертифицируются до -55C.
BGA корпуса особенно не любят таких перепадов температуры чем больше размером корпус, тем больше шансов, что крайние контактные площадки просто оторвёт, или треснут шарики припоя.

Если говорить более предметно о платах и CADах, то стоит упомянуть, что вся космическая электроника в плане механики это платы, плотно упакованные в металлический корпус. Иначе нельзя конвекции в космосе нет, если что-то греется, то это тепло необходимо сбрасывать через термоинтерфейс. При этом корпус должен быть компактен, зачастую иметь специфическую форму, включать в себя множество деталей, разной электроники словом, тут крайне важна интеграция электронного и машинного проектирования; тут стоят очень серьезные задачи в плане соотнесения 3D компонентов.

Радиация

С радиацией всё ещё сложнее: это, например, и фактор поглощенной дозы, и эффекты однократного действия, то есть явления, связанные с высоко энергичными заряженными частицами и их влиянием на электронику. Скажем, пролет заряженной частицы может вызвать сбой в ячейке памяти, когда единственный бит меняется с 0 на 1 и аппарат выдает ложные показания (bit flip). В большинстве случаев ситуация не критична и последствия устраняются перезагрузкой системы. Куда серьезнее, например, защелкивание выходного каскада, когда сквозной ток может выжечь микросхему и привести к катастрофическому отказу оборудования. Тут перезагрузка уже не поможет, а прилететь и починить плату в космосе понятно некому.

Фактор поглощенной дозы по-разному влияет на электронику, изготовленную по технологиям КМОП и БиКМОП. Влияет даже скорость набора порой быстро накопленная доза менее опасна своими последствиями, чем та же самая доза, накопленная в течение продолжительного времени, а иногда наоборот. Вообще, на этот счет хочу порекомендовать статьи на Хабре за авторством доки аналогового дизайна радхардных чипов Валерия amartology Шункова.

Эффекты радиации все еще изучаются, поскольку математическое моделирование связанных физических процессов есть задача совершенно нетривиальная, не говоря о сложностях валидации результатов моделирования.

В New Space скорость появления MVP (Minimum Viable Product) критична, и проведение испытаний на радиационную стойкость в специальной лаборатории in vitro может быстро дать оценку того, что ждет устройство в условиях космоса. Опять же, тут нужно определить, что называть радиацией: 510 krad часто современные микросхемы уровня мейнстримовых микроконтроллеров спокойно переживают такую накопленную дозу без значительных последствий, а это уровень набора за несколько месяцев, а иногда пары лет в случае LEO.

Пару слов о New Space. Это новый взгляд на индустрию, который получил толчок к развитию лет десять-пятнадцать назад, и одна из его идей заключается в том, что один дорогой спутник, напичканный радиационно-стойкими компонентами, можно заменять несколькими дешевыми спутниками со сроком службы 3-5 лет. В условиях LEO это действительно работает.

Old Space же это хорошо известные нам керамические корпуса, радиационная стойкость, поистине космические ценники на каждый элемент конструкции, бесконечное тестирование и работа со статистикой, и так далее в результате один единственный чип может стоить десятки, а иногда и сотни тысяч долларов. Зачастую трудно сказать, для какой задачи какой подход более оптимален, но можно порадоваться, что обе эти сферы развиваются параллельно, и в итоге займут свой спектр ниш.

Выбор компонентов

Это фантастически обширная область для обсуждения, а полноценное описание возможных failure modes, последствий и важных моментов при выборе компонентов потянет на серьезный труд во много сотен страниц.
Однако же, с чего-то нужно начинать, и, поскольку статья носит ознакомительный характер, то будет справедливо выбрать MLCC в качестве предмета обсуждения, поскольку их можно встретить в любом мыслимом устройстве, а также этот класс компонентов является лидером причин катастрофических отказов в электронных узлах.

Самое опасное явление в MLCC трещины в диэлектрике. Стоит еще раз оговориться: серьезное обсуждение причин появления трещин и их последствий потянет на отдельную часовую лекцию, поэтому, как самый банальный пример, рассмотрим простейший из механизмов: замыкание проводящих слоёв в толще структуры MLCC из-за трещины, появление которой обусловлено чрезмерным изгибом платы.

Проблема известная, и разве что ленивый производитель не описал его в литературе. Особенно остро последствия стоят для автомобильной отрасли, где механические и температурные нагрузки запредельны, жизненный цикл устройства занимает много лет, а отказы оборудования могут приводить к человеческим жертвам.

Простейшие, дешевые и очевидные трюки для снижения вероятности и/или катастрофичности последствий можно подсмотреть как раз в automotive сериях MLCC.
Например, проводится редукция проводящих слоев, что даёт отступ от края терминала области, где вероятность появления трещин максимальна. Open Mode Design более-менее общеупотребительный термин для описания подобной техники, идея которой самоочевидна: трещина, возникшая в непосредственной близости к терминалам, не приводит к короткому замыканию.
Из отрицательных последствий применения техники можно упомянуть снижение доступной емкости ввиду уменьшения площади обкладок.

Выбор материалов

С погружением в тему неизбежно приходит понимание того, на сколько важен каждый элемент конструкции, каждая, казалось бы, мелочь. Например, припой, подобранный неадекватно задаче, аукнется падением надежности паянных узлов.

А, например, недальновидность при выборе материалов для сборки структуры PCB неизбежно приводят к понижению надежности самых уязвимых структур VIA.

Даже выбор поставщика может быть критически важным: например, ненадлежащие хранение материалов для PCB или же самих готовых устройств может приводить к пренеприятнейшим эффектам, например, к появлению проводящих структур внутри сэндвича печатной платы, известных под названием CAF (conductive anodic filament).

Некоторое время назад автору довелось столкнуться с подобным явлением в стороннем проекте: спустя полгода после установки, один за другим начали выходить из строя устройства: три из примерно тридцати устройств задорно и весело полыхнули в интервале буквально пары недель. Расследование заняло довольно продолжительное время и указало именно на CAF, как на причину катастрофического отказа.

А вот так этот прогар выглядел с обратной стороны.

Основная причина для такого развития ситуации по такому пути: недостаточное внимание к выбору материалов/фаба на этапе разработки. О, опыт, сын ошибок трудных...

Моделирование

Разумеется, помимо превентивных мер по повышению надежности огромное внимание отдается моделированию. Считают всё: и температуру, и механически нагрузки, и радиационные эффекты.

О моделировании SI/PI даже упоминать не приходится: применение этих практик безусловно для сколь-нибудь серьезных проектов.

Project management, коллектив и инструментарий

Поскольку разработкой электронной начинки спутника занимаются крупные команды, требования, предъявляемые к рабочей среде и менеджменту также высоки.
Важно все: начиная от применяемых инструментов разработки и заканчивая грамнотно укомплектованной командой.

Возьмем, к примеру, такой, казалось бы, малозначительный аспект, как ведение библиотек электронных компонентов: если инструменты ведения базы компонентов не продуманы, а бюджета на полноценного библиотекаря не предусмотрено (кстати, ситуация, часто встречаемая не только в стартапах), то, ввиду влияния человеческого фактора, качество библиотек неизбежно снизится.
Я был свидетелем того, как молодые инженеры вместо создания с нуля сложного футпринта для оптимально подходящего компонента предпочитали натаскать по чуть-чуть из старых проектов, лишь бы не связываться с рутиной и неудобными инструментами. Правильный выбор CAD, соответствующего стоящим перед командой задачам и удобного в работе, напротив, помогает избегать серьезных ошибок и формализует грамотный инженерный подход к ведению проекта.

Заключение

Статья носит ознакомительный характер и, в общем-то, является пробой пера: возможно, статья станет первой ласточкой в большом цикле, а, возможно, история закончится ничем. В любом случае, автор будет признателен комментариям и пожеланиям.

Мой канал в Телеграм об интересном из мира электроники Something Interesting in Electronics.