，作者：陈启，原文标题：《大型科普：低轨卫星得用什么做放大器？》，题图来自：视觉中国

  • 上海市计划加速卫星互联网建设，低轨卫星成为实现“天地一体”网络覆盖的重要组成部分。

  • 低轨卫星通信需要用特定的无线电频段进行通信，包括L、S、C、X、Ku、Ka、Q、V等波段。

  • 在低轨卫星通信中，采用化合物半导体材料制造的功率放大器（PA）是关键技术，目前主要使用砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）材料。未来可能采用氮化铝（ALN）材料。

  10月19日，上海市人民政府印发《上海市进一步推进新型基础设施建设行动方案（2023—2026年）》（以下简称《行动方案》），《行动方案》聚焦新网络、新算力、新数据、新设施、新终端等五方面，提出30项主要任务、10大示范工程及7项保障措施。到2026年底，上海市新型基础设施建设水平和服务能级迈上新台阶，支撑国际数字之都建设的新型基础设施框架体系基本建成。

  其中最受关注的就是有关于布局“天地一体”的卫星互联网的内容，上海或将加速卫星互联网建设。

  目前地面光纤网络和移动网络还是存在一定的局限性，没办法形成“全方位，无死角”的网络覆盖，因此补充低轨道卫星，是实现“天地一体”的重要组成之一。

  其实早在7月，上海市松江区委程书记就对媒体表示，上海加快开辟新领域新赛道，打造低轨宽频多媒体卫星“G60 星链”，实验卫星完成发射并成功组网，一期将实施 1296 颗，未来将实现一万两千多颗卫星的组网。

  目前轨道卫星按不同的高度分三大类，其中有一种轨道比较特殊，因此也有分四类的。

  一、低/近地球轨道卫星（英文缩写为LEO），轨道高度为400-2000公里，大多数对地观测卫星，测地遥感卫星，空间点，以及新的通信卫星，多数都在这一层。

  二、中地球轨道卫星（MEO），轨道高度为2000-20000公里，GPS、伽利略都在这一层。

  三、地球同步转移轨道卫星（GTO），它的轨道比较特殊是椭圆形轨道，近地点只有1000公里，远地点超过36000公里。

  四、地球同步轨道卫星（GEO），或者也叫对地相对静止轨道，轨道高度约36000公里。

  在同步轨道上卫星的运行方向与地球自转方向相同、运行轨道为位于地球赤道平面上圆形轨道、运行周期与地球自转一周的时间相等，即23时56分4秒，卫星在轨道上的绕行速度约为3.1公里/秒，其运行角速度等于地球自转的角速度。

  显然这种同步轨道卫星，对于气象卫星而言，等于提供了同一表面区域的恒定视图，这样就可以实时发送该地区的有关云，水汽，风等信息，给气象站提供相关的数据用于气象预报。

  微信开机画面，就是2017年9月25号正式交付使用的卫星风云四号拍的照片，风云四号就是我国新一代静止轨道气象卫星。

  显然，要把卫星送到3600公里的地球同步轨道，需要大运力的运载火箭，这个技术全世界也没几个国家掌握，成本也非常高。

  而且目前对于轨道资源争夺也很激烈，国际规则是“先到先得”，谁先申报就能优先使用，特别是地球同步轨道资源争夺非常白热化，所以各个国家就把目标放在低轨道卫星上。

  既然要搞低轨道卫星通信，很显然有一个绕不开的话题，你用啥无线电频段进行通信？

  L、S频段大多数都用在卫星移动通信；C、Ku频段大多数都用在卫星固定业务通信，Ka频段应用开始大量出现。为满足日益增加的频率轨道资源需求，卫星通信领域正在布局Q/V等更高的频段资源。

  无线电信号，经过放大，再做处理，才能变成计算机能处理的离散0，1信号。

  这模拟信号和离散数字信号的转换原理，实际上的意思就是傅里叶变化的应用，估计学习数学和通信的老哥们，当年看到傅里叶转换公式头都炸毛了。

  在实际工作环境中，无论接收信号的灵敏度还是发射信号强度就变得很重要。接收端接收到的无线电波一定要通过LNA低噪放大器，把微弱的信号放大数倍。而发射端要求更高，需要把处理后的信号进行放大，包括一级放大，二级放大，甚至三级放大，获得足够的射频功率，才能馈送到天线上辐射出去。

  早期的雷达上，用的是微波真空二极管也叫磁控管，这玩意儿也是微波炉的老祖宗。

  到后面用行波管，速调管之类。当然现在科技非常发达，采用的是固态源，也就是用半导体技术，来做放大器芯片，这东西简称就是PA，功率放大器。

  上世纪50年代开始，美国的研究机构就开始研究用化合物半导体材料来制造功率放大器，这个技术一直沿用至今。

  现在无论民用，还是军用大量使用GaAs（砷化镓）这样一种材料来做功率放大器，也有少量使用InP，磷化铟。

  对于6GHZ以内的L，S以及部分C频段，砷化镓足够应付，超过6G的X，Ku，Ka频段，砷化镓就不太好弄了。

  因为砷化镓材料也有局限性，材料所限它电压上不去，因此没法整太大功率，功率不够就没法整高频频段。

  这么一看，似乎砷化镓不太够，于是现在出现采用宽禁带也就是第三代半导体材料GaN（氮化镓），甚至未来不排除用超宽禁带也就是第四代半导体材料ALN氮化铝，用这玩意来搞PA放大器。

  目前氮化镓基氮化镓的外延片（GaN on GaN）线英寸的都得上万美金，这和氮化镓目前没有好的长晶技术有关系，这东西比碳化硅难整整十倍。

  所以同质外延不太行，就采用异质外延技术，让所需的氮化镓外延层长在其他材料上，比如半绝缘型的碳化硅基氮化镓（GaN on SiC）大量在雷达，基站上使用，当然这玩意儿也不便宜，一片外延片也要上万人民币。

  两种材料相比之下，砷化镓相对氮化镓便宜很多，产量也很大，6英寸半绝缘型也就大几百块钱而已，氮化镓贵且产能少。

  于是有人琢磨能不能在结构和工艺上突破一下？至少让砷化镓能满足部分高频段的要求。

  目前PA放大器包括三种结构：HBT，叫异质结双极型晶体管；此外就是HEMT，高迁移率晶体管，也叫赝调制掺杂异质结场效应晶体管（pMODFET），除此以外还有MESFET，金属半导体势垒接触场效应晶体管。

  相比之下，HEMT具有HBT的部分优点，它不仅提高了器件阈值电压的温度稳定性，而且改善了器件的输出伏安特性，使得器件具有更大的输出电阻、更高的跨导、更大的电流解决能力以及更高的工作频率、更低的噪声等。

  从实际应用看，能用HBT的就用HBT，不行的再用HEMT。因此HBT占了大概60%，剩下的HEMT占40%

  早期的2G时代都是GaAs PA，到后面3G时代，高通与Skyworks推出Si制程MMPA ， CMOS PA（LDMOS）， 主打高性价比策略，因此3G时代还有硅基PA方案，但是那玩意儿到3GHz后面频段线性度就基本没法看了，而且面积大，发热大，因此4G（3.5GHz-3.9GHz），以及5G（6GHz-27GHz）时代后就基本淘汰了。

  HBT可以用MOCVD金属有机源化学气相沉积的设备来长所需的外延层，但是HEMT不行，得上MBE分子束外延设备。

  MBE设备非常贵，而且外延层生长速度较慢，产能小，市场小，所以高成本的HEMT只能是配角。

  但是如果从低轨卫星所用PA的来看，HEMT是主角，但是在C，X波段上还能凑合一下，对于Ku波段而言（18GHz），HEMT也力不从心，更高的Ka（27GHz）波段就更别提了。

  目前有好几个技术路线，当然篇幅所限我讲个实际能用，技术上相对来说还是比较成熟，成本也可控的，那就是BiHEMT，异质结高迁移率晶体管。

  从名字上看这个BiHEMT，像HEMT的加强版，对，实际上就是HEMT的加强版。

  BiHEMT，实际上就是HBT和HEMT优点结合产物。这个有点像BiCMOS，Bipolar（双极型）和CMOS（互补金属氧化物）结合的产物。

  BiHEMT经由电路设计透过外延生长及制造将InGaP HBT线性功率放大器、AlGaAs pHEMT高频开关、AlGaAs pHEMT逻辑控制电路、AlGaAs pHEM低噪声的功率放大器、被动组件及内部连接线路整合在单一砷化镓芯片中。

  这玩意儿可以完美符合低轨道卫星对于PA的需求，从8-27G，通通不在话下。

  所以假设新一代“天地一体”卫星互联网，中国真的要搞，还能搞成，这GaAs BiHEMT绝对是受益的。