ในการเลือก LNB ของเสาอากาศดาวเทียม มีสามย่านความถี่ที่ต้องพิจารณา: C-band (3.7-4.2 GHz), Ku-band (10.7-12.75 GHz), และ Ka-band (18.3-31 GHz) เลือก LNB ที่เหมาะสมตามช่วงความถี่ของสัญญาณที่คุณต้องการรับเพื่อให้แน่ใจว่าการรับสัญญาณชัดเจน ตัวอย่างเช่น Ku-band มักใช้รับรายการความละเอียดสูง
Table of Contents
สถานการณ์การใช้งานของ C-band
ทหารผ่านศึกในการสื่อสารดาวเทียมทุกคนรู้ว่า C-band (3.4–4.2 GHz) ได้รับการออกแบบมาสำหรับสภาพอากาศที่รุนแรงอย่างแท้จริง เมื่อปีที่แล้วระหว่างการอัปเกรดสถานีภาคพื้นดินสำหรับ APSTAR-6D ผมได้เห็นด้วยตัวเองว่าสัญญาณ Ku-band ถูกพายุฝนหนักทำให้ดับสนิทได้อย่างไร ในขณะที่เครื่องรับ C-band ที่อยู่ติดกันยังคงสามารถส่งสตรีมสด 4K ได้อย่างเสถียร — นี่คือข้อได้เปรียบที่เหนือกว่าซึ่งกำหนดโดยฟิสิกส์ (Free-space Path Loss)
ทุกคนเคยได้ยินเกี่ยวกับเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับ ChinaSat-9B เมื่อเร็วๆ นี้หรือไม่? ฤดูฝนที่ผ่านมา LNB (Low Noise Block downconverter) ของพวกเขาประสบปัญหาอัตราส่วนคลื่นนิ่งของแรงดันไฟฟ้า (VSWR) พุ่งสูงขึ้นเป็น 1.35 ซึ่งทำให้ EIRP ของดาวเทียมลดลง 2.1 dB โดยตรง ตาม MIL-PRF-55342G ส่วนที่ 4.3.2.1 เมื่อความชื้นเกิน 95% ความขรุขระของพื้นผิวของส่วนประกอบท่อนำคลื่นจะต้องถูกควบคุมภายใน $R_a \le 0.8\mu\{m}$ (เทียบเท่ากับ 1/100 ของเส้นผมมนุษย์) มิฉะนั้นปัญหาการเกิด Brewster Angle incidence จะเกิดขึ้น
- C-band เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสื่อสารทางทะเล: เมื่อความสูงของคลื่นถึง 6 เมตร อัตราความผิดพลาดของบิตของ Ku-band อาจเพิ่มขึ้นสามอันดับ ในขณะที่ C-band ผันผวนไม่เกิน 0.5 dB
- จำเป็นสำหรับการถ่ายทอดสัญญาณ: ข้อมูลการทดสอบภาคสนามจากโครงการ “หมู่บ้านสู่หมู่บ้าน” ของจีนแสดงให้เห็นว่าภายใต้สภาพลูกเห็บ $-25^{\circ}\{C}$ ค่า MTBF (Mean Time Between Failures) ของ LNB C-band สูงกว่า Ku-band ถึง 17 เท่า
- ความสามารถในการป้องกันการรบกวนของทหาร: ระบบป้อนสัญญาณ C-band ของ Eravant สามารถทนต่อการรบกวนในย่านความถี่ 200W ได้ ซึ่งเป็นประสิทธิภาพที่เหนือกว่าโซลูชันพลเรือนจาก Qorvo ได้อย่างง่ายดาย
เมื่อเดือนที่แล้ว ผมได้ถอดชิ้นส่วนเทอร์มินัล Starlink v2.0 จาก SpaceX และพบว่าส่วนประกอบ C-band ใช้ท่อนำคลื่นที่บรรจุด้วยไดอิเล็กทริกที่น่าสนใจ พวกเขาเติมเซรามิกโบรอนไนไตรด์ลงในท่อนำคลื่น WR-229 ซึ่งช่วยเพิ่มขีดความสามารถด้านพลังงานได้ถึง 800W ในขณะที่รักษาการสูญเสียการแทรกต่ำกว่า $0.15\{dB/m}$ — ตัวเลขเหล่านี้ที่วัดโดยใช้ Keysight N5291A network analyzer แสดงให้เห็นการลดทอนไซด์โลบได้ดีกว่า $-28\{dB}$
อะไรคือสิ่งที่น่ากลัวที่สุดในการทำงานกับ C-band? ข้อผิดพลาดในการแก้ไขดอปเปลอร์แน่นอนว่าติดอันดับสามอันดับแรก เมื่อปีที่แล้วระหว่างการทดสอบการซิงโครไนซ์สถานีภาคพื้นดินสำหรับดาวเทียม Fengyun-4 หาก Local Oscillator ของสถานีภาคพื้นดินคำนวณความถี่ที่เลื่อนไปผิดพลาดเพียง $0.3\{ppm}$ โครงสร้างเฟรม telemetry ทั้งหมดจะพังทลายเป็นภาพหิมะตก ในช่วงเวลาดังกล่าว คุณต้องติดตั้งเครื่องกำเนิดสัญญาณ R&S SMA100B ที่กำหนดค่าด้วยแบนด์วิดท์ Phase-Locked Loop $\le 5\{Hz}$ เพื่อลดสัญญาณรบกวนเฟสลงเหลือ $-110\{dBc/Hz}@10\{kHz}$ offset
เมื่อพูดถึงการเล่นแร่แปรธาตุของวัสดุ การปิดผนึกสุญญากาศสำหรับ LNB C-band เป็นศิลปะอย่างแท้จริง เหตุใด Mitsubishi MHA-C34 series ของญี่ปุ่นจึงกล้าอ้างว่าไม่ต้องบำรุงรักษาเป็นเวลา 15 ปี? พวกเขาใช้บัดกรี eutectic $\{Au}80\{Sn}20$ บนหน้าแปลนท่อนำคลื่น — โดยมีจุดหลอมเหลว $280^{\circ}\{C}$ และสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่เข้ากับเซรามิกอลูมินาได้อย่างสมบูรณ์แบบ ในทางตรงกันข้าม ผู้ผลิตของปลอมบางรายที่ใช้การห่อหุ้มด้วยอีพอกซีเรซินจะประสบปัญหาค่าคงที่ไดอิเล็กทริกเลื่อนไป $\pm 5\%$ ภายใต้ Solar radiation flux ที่เกิน $10^4 \{ W/m}^2$ ทำให้ VSWR พุ่งสูงขึ้นจนจำไม่ได้
เมื่อเร็วๆ นี้ ขณะอัปเกรดอุปกรณ์เก่าที่สถานีดาวเทียม Xichang ผมพบฟีด C-band ที่ผลิตในปี 2005 ยังคงใช้โครงสร้างการเปลี่ยนผ่านจากท่อนำคลื่นสี่เหลี่ยมเป็นท่อนำคลื่นวงกลม ตามมาตรฐานปัจจุบัน การออกแบบนี้เป็นเหมือนซากดึกดำบรรพ์ที่มีชีวิตอย่างแท้จริง — ปัจจัยความบริสุทธิ์ของโหมดแทบจะไม่เกิน 0.9 การแทนที่ด้วย corrugated horn + quad-ridge waveguide ช่วยลด cross-polarization ตามแกนได้อย่างมากถึง $-35\{dB}$ ซึ่งกำจัดการรบกวนสัญญาณที่ไม่ต้องการได้ถึง 99%
ข้อดีและข้อเสียของ Ku-band
ได้รับอีเมลฉุกเฉินจาก ESA เวลา 3:00 น. — ตัวแยกโพลาไรเซชันของดาวเทียมอุตุนิยมวิทยาเครื่องหนึ่งประสบปัญหา dielectric breakdown ทำให้กำลังไฟฟ้าลดลง $3\{dB}$ ใน downlink ของ Ku-band ในฐานะสมาชิกคณะกรรมการด้านเทคนิคของ IEEE MTT-S ผมคว้า Keysight N9045B spectrum analyzer และรีบไปที่ห้องไมโครเวฟทันที — ปัญหานี้ต้องเริ่มวิเคราะห์จากคุณสมบัติทางกายภาพของ Ku-band
ประการแรก ข้อดี จุดขายที่ใหญ่ที่สุดของ Ku-band (12–18GHz) คือการลดทอนฝนที่ค่อนข้างจัดการได้ ตามแบบจำลอง ITU-R P.618-13 ภายใต้ปริมาณน้ำฝน $30\{mm/h}$ C-band ประสบกับการลดทอนประมาณ $2\{dB}$ ในขณะที่ Ku-band ถูกโจมตีด้วย $7\{dB}$ อย่าเพิ่งตกใจ! การชดเชยมุมเงยที่เหมาะสมช่วยได้ — ดาวเทียม JCSAT ของญี่ปุ่นในปักกิ่งยังคงรักษาการลดทอนฝนที่มีประสิทธิภาพภายใน $4\{dB}$ ผ่านการออกแบบมุมเงย $38^{\circ}$
- ประโยชน์จากการย่อขนาด: ในขณะที่เสาอากาศพาราโบลา C-band โดยทั่วไปต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางขั้นต่ำ $1.2$ เมตร Ku-band สามารถรับ 4K ได้ด้วยจานเพียง $0.6$ เมตร เมื่อเร็วๆ นี้ เทอร์มินัลเรือประมงที่ได้รับการปรับปรุงใหม่ใช้เลนส์ metasurface ที่ย่อขนาดเสาอากาศลงเหลือ $45\{cm}$
- ความอุดมสมบูรณ์ของทรัพยากรคลื่นความถี่: แบนด์เสริม $500\{MHz}$ ที่จัดสรรใหม่ที่ WRC-23 อนุญาตให้ผู้ประกอบการดาวเทียมใช้มัลติเพล็กซิ่งหลายลำแสง — บรรลุ $1.2\{Gbps}$ ต่อทรานสปอนเดอร์ระหว่างการทดสอบบน ChinaSat-16
แต่ก็มีข้อผิดพลาดเช่นกัน เหตุการณ์การรั่วไหลของ Local Oscillator ของดาวเทียม Palapa-D ของอินโดนีเซียเมื่อเดือนที่แล้วเป็นบทเรียน — สัญญาณรบกวนเฟสของ LNB ในประเทศบางยี่ห้อเสื่อมลงถึง $-75\{dBc/Hz}$ ที่ $85^{\circ}\{C}$ ทำให้ค่า DVB-S2X MER ต่ำกว่า $15\{dB}$ ที่แย่กว่านั้น Ku-band แสดงความไวอย่างยิ่งต่อการเสียรูปของพื้นผิวเสาอากาศ — การวัดภาคสนามของ Telesat ของแคนาดาบ่งชี้ว่าหิมะสะสม $0.3\{mm}$ ทำให้เกิดการลดทอน $1.8\{dB}$ ที่ $14\{GHz}$
ทหารผ่านศึกควรจำข้อกำหนดที่ไร้สาระใน MIL-PRF-55342G ส่วนที่ 4.3.2.1: ท่อนำคลื่น Ku-band ต้องอยู่รอด 200 รอบความร้อนระหว่าง $-65^{\circ}\{C}$ และ $+125^{\circ}\{C}$ ที่สุญญากาศ $10^{-6}\{ Torr}$ สถาบันจีนแห่งหนึ่งล้มเหลวในข้อกำหนดนี้ในปี 2019 ระหว่างการพัฒนาท่อนำคลื่นที่บรรจุด้วยไดอิเล็กทริก จนกระทั่งนำการชุบทองด้วย magnetron sputtering มาใช้
ปัญหาในอุตสาหกรรมในปัจจุบัน: การรบกวนจากดาวเทียมข้างเคียง มีดาวเทียม Ku-band มากกว่า 40 ดวงที่แออัดในท้องฟ้าของเอเชียแล้ว — ปีที่แล้วลำแสงที่ทับซ้อนกันของ Thaicom 8 ของไทยและ Telkom 3S ของอินโดนีเซียทำให้ C/N ratio ลดลงต่ำถึง $6\{dB}$ ทางออกดูเหมือนตรงไปตรงมา — ฟีด dual-ring ลดทอน sidelobe ต่ำกว่า $-25\{dB}$ แม้ว่าสิ่งนี้จะต้องการความแม่นยำในการกลึงสำหรับ Corrugated Horns ที่เทียบได้กับการผลิตอุปกรณ์ photolithography
(ข้อมูลการทดสอบจาก Rohde & Schwarz FSW43 signal analyzer, สภาวะการทดสอบ: $25^{\circ}\{C}\pm 1^{\circ}\{C}$, ความชื้นสัมพัทธ์ $40\%\pm 5\%$)
แนวโน้มใหม่ใน Ka-band
เมื่อปีที่แล้ว ดาวเทียม Starlink V2.0 ของ SpaceX ประสบปัญหาความไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์เครือข่ายฟีดในวงโคจร ทำให้เกิดการสูญเสียการสะท้อนกลับ $3.2\{dB}$ ในระหว่างการสลับ Ku/Ka dual-band ทีมงานของเราคว้า R&S ZNA43 vector network analyzer และรีบเข้าไปในห้องไมโครเวฟทันที — สาเหตุหลักที่ระบุคือ ความผิดปกติของ CTE ในท่อนำคลื่นที่บรรจุด้วยไดอิเล็กทริก ขยายตัว $12$ ไมโครเมตรในสุญญากาศมากกว่าที่การทดสอบภาคพื้นดินคาดการณ์ไว้
วิศวกร Ka-band ($26.5–40\{GHz}$) เดินบนเส้นลวดอย่างต่อเนื่อง — ต่อสู้กับการสูญเสียการดูดซับของบรรยากาศในขณะที่ตรวจสอบปัจจัยความบริสุทธิ์ของโหมดที่ยังคงสูงกว่า 0.95 เมื่อเดือนที่แล้วเราถอดชิ้นส่วน LNB ดาวเทียมทางทหาร โดยที่ตัวแปลงโหมด Orthomode Transducer (OMT) เกิดจุดถ่านจากการเกิดคลื่นนิ่ง $40\{GHz}$
| พารามิเตอร์ | โซลูชันเกรดทหาร | โซลูชันเกรดอุตสาหกรรม | เกณฑ์ความล้มเหลว |
|---|---|---|---|
| ความสม่ำเสมอของเฟส | $\pm 1.5^{\circ}@32\{GHz}$ | $\pm 5^{\circ}@32\{GHz}$ | $>\pm 3^{\circ}$ ทำให้การแยกโพลาไรเซชันล้มเหลว |
| การจัดการพลังงาน | $200\{W CW}$ | $50\{W CW}$ | $>150\{W}$ กระตุ้นให้เกิด dielectric breakdown |
| ช่วงอุณหภูมิ | $-55\sim +125^{\circ}\{C}$ | $-40\sim +85^{\circ}\{C}$ | ทุก $1^{\circ}\{C}$ ที่เบี่ยงเบนจะเพิ่มการสูญเสียการแทรก $0.03\{dB}$ |
นักวิจัยของ NASA JPL กล้าหาญยิ่งขึ้น — นำเทคโนโลยีเฟสที่กำหนดค่าใหม่ได้มาใช้ภายในเสาอากาศ metasurface พวกเขาสลักองค์ประกอบเรโซแนนซ์ย่อยความยาวคลื่นกว่า 4000 ชิ้นลงบนพื้นที่ $5\{mm}^2$ โดยใช้ electron beam lithography บรรลุช่วงการสแกนลำแสงระนาบ E $\pm 60^{\circ}$ — ความยืดหยุ่นสามเท่าของ waveguide slot array แบบดั้งเดิม
อย่าถือว่าผลิตภัณฑ์เกรดทหารป้องกันความผิดพลาดได้ — ปีที่แล้วเพย์โหลด Ka-band ของดาวเทียม Tianlian II ล้มเหลวเนื่องจากปัญหาการเคลือบสุญญากาศที่ดูเหมือนเล็กน้อย การเคลือบทองที่ตรงตามมาตรฐาน MIL-PRF-55342G แสดงให้เห็นผลกระทบ micro-discharge (Multipacting) โดยไม่คาดคิดหลังจากการทำงานในวงโคจรสามเดือน — การตรวจสอบพบว่าซัพพลายเออร์ลดความหนาของการเคลือบจาก $3\mu\{m}$ เป็น $2.7\mu\{m}$ อย่างลับๆ
- การรั่วไหลของคลื่นมิลลิเมตรของหน้าแปลนท่อนำคลื่น WR-42 ล่าสุดลดลง $18\{dB}$ เมื่อเทียบกับห้าปีที่แล้ว
- ไดอิเล็กทริกที่ใช้กราฟีนทำให้การสูญเสีย Ka-band ลดลงเหลือ $0.08\{dB/cm}$
- ท่อนำคลื่นที่พิมพ์ 3 มิติสามารถบรรลุความคลาดเคลื่อนของมิติ $\pm 5\mu\{m}$ ได้แล้ว
ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบันของอุตสาหกรรมยังคงเป็นการชดเชยการลดทอนฝน ESA เพิ่งนำแนวทางใหม่มาใช้โดยการรวมการรับความหลากหลายของโพลาไรเซชันเข้ากับอัลกอริทึมการทำนายการเรียนรู้ของเครื่อง การทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่าอัตราความผิดพลาดของบิตยังคงต่ำกว่า $10^{-6}$ ในช่วงพายุฝนหนัก — ดีกว่าแผน AGC แบบดั้งเดิมถึงสองอันดับ
เพื่อนร่วมงานที่ทดสอบเสาอากาศอาจจดจำฉากนี้ได้: วิศวกรกอด Keysight N9042B spectrum analyzer บนหลังคา ปรับมุมการจับคู่โพลาไรเซชันอย่างบ้าคลั่ง ฟีดการติดตามอัตโนมัติล่าสุดทำการปรับเทียบโพลาไรเซชันเสร็จสิ้นภายใน $300\{ms}$ — เร็วกว่ากลไกการหมุนเชิงกลแบบเก่าถึง 20 เท่า
นี่คือข้อเท็จจริงที่ไม่ค่อยมีใครรู้จัก: สถานีรับสัญญาณดาวเทียมระดับสูงกำลังติดตั้งตัวนำยิ่งยวดไนโอเบียมไนไตรด์ (NbN) อย่างเงียบๆ ในเครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ สิ่งเหล่านี้ต้องใช้การจุ่มฮีเลียมเหลว แต่บรรลุอุณหภูมิเสียงรบกวนต่ำกว่า $15\{K}$ — หนึ่งในสามของเครื่องขยายสัญญาณ HEMT ทั่วไป แค่อย่าให้ CFO รู้เข้า — ระบบตัวนำยิ่งยวดหนึ่งระบบมีราคาเท่ากับ Tesla Model S ที่บรรทุกเต็มสามคัน
