用于下一代通信的Q波段和V波段

Tudor Williams, Filtronic公司

在当今世界，无论身处何地，通信都必须即时且可靠。工作在37至52 GHz的Q波段和V波段为显著更大的数据通道打开了大门。然而，这些更高的频率带来了一系列新的技术挑战。虽然当今卫星通信（satcom）市场中的许多馈电链路工作在Ka波段，但向Q波段和V波段的推进势头正日益强劲。这种转变是由对传输更大数据量日益增长的需求所推动的，特别是在卫星通信和地球观测领域。

Q波段和V波段比Ka波段提供了更多的频谱，具有更大且更连续的带宽，从而能够在卫星和地面站之间实现更高的数据速率和更高效的传输。然而，向更高频率迁移也带来了挑战。例如，设计变得更复杂，并且目前很少有商业产品能在50 GHz及以上频率有效工作。高功率系统尤其具有挑战性，通常依赖于行波管放大器（TWTA）。尽管TWTA很有效，但它们价格昂贵、制造复杂且寿命有限。

这正是固态替代方案发挥作用的地方，这要归功于半导体工艺的进步。从砷化镓（GaAs）向氮化镓（GaN）的转变、行业向更短波长的迁移，以及低损耗和波导合成的结合，使得固态放大器成为TWTA的竞争对手。除了相似的性能外，固态放大器在成本、可扩展性、生产速度和寿命方面具有优势。

Q波段和V波段也因其可用频谱的结构而具有吸引力。Q波段和V波段相互补充，同时使用两者可以最大化频谱效率，并确保运营商从可用带宽中获益。

ARTES计划与卫星网络

卫星通信领域的一项新发展是ARTES计划，这是一项由欧洲航天局（ESA）支持的倡议，旨在突破卫星通信技术的极限。Filtronic最近获得了一份ESA的合同，将为下一代卫星网络在Q波段、V波段以及K波段和Ka波段开发射频（RF）解决方案。

作为ESA ARTES 4.0计划的一部分，Filtronic将为下一代卫星网络设计高功率射频解决方案。这些网络专注于为“新太空（New Space）”卫星有效载荷提供高性价比的馈电链路，以实现高通量通信和高效传输。该卫星使用Q波段进行发送，V波段进行接收，从而接入更大的带宽以实现更高的数据速率。这种方法对于增强卫星星座的宽带通信至关重要，而卫星星座正日益被依赖以满足不断增长的数据需求。

该项目的一个关键方面是其适应性。虽然它专注于低地球轨道（LEO）应用，但正在开发的技术可以适应中地球轨道（MEO）和地球静止轨道（GEO）卫星。这种灵活性可以支持从商业卫星网络到军事通信的一系列应用，使其成为民用和国防部门的资源。

该行业面临的一个持续挑战是这些网络需要处理的数据量。虽然K波段和Ka波段系统目前足够用，但随着数据需求的增长，它们日益紧张。随着Q波段和V波段等更高频率解决方案的最新发展，该计划正在进行的工作为未来的进步奠定了基础。

该项目的目标是创建一个可在不同轨道上运行的灵活、高性能系统。通过融合LEO、MEO和GEO卫星网络，有可能创建一个更具弹性、更高效的通信系统，能够更好地处理日益增长的数据负载。此外，潜在的国防应用扩大了该计划的重要性。随着对安全可靠的天基通信需求的上升，能够同时适应商业和军事需求的技术正变得越来越有价值。

该计划正在为未来的卫星通信系统奠定基础，这些系统将满足当今互联世界日益增长的数据需求。这是太空通信激动人心的时刻，该倡议是朝着实现商业化、稳健的卫星网络迈出的一步。

安全的战场通信

与倾向于在更广区域扩散信号的低频不同，更高频率产生的更窄波束宽度更难被截获或干扰。这使得像Q波段和V波段这样的毫米波频率对于安全的战场通信特别具有吸引力。

尽管使用毫米波的战术通信仍在发展中，但其安全、高速数据传输的潜力是不可否认的。随着对将Q波段和V波段频率用于军事卫星通信的兴趣日益浓厚，一个明显的趋势正在形成：采用更高频率的解决方案来增强战术和战略环境中的安全通信。此外，它们更抗干扰，因为所需的干扰功率将超过传统系统。

半导体技术的进步，特别是氮化镓（GaN）的发展，使得工作在高频下的器件功率密度得以提升。这使得Filtronic能够突破功率输出的界限，提供能够支持高功率应用的固态解决方案，例如国防通信所需的应用。

毫米波技术也在导弹系统中产生影响，特别是毫米波导引头。这些系统利用高频信号实现卓越的空间分辨率，从而在对抗和拥挤环境中保持相同水平的抗干扰能力的同时，提高目标探测和跟踪的精度。在英国，国防部门正在探索高频解决方案，显示出军事和政府领域日益关注下一代系统以增强安全通信。通过将GEO、MEO和LEO卫星系统与Q波段和V波段频率相结合，这些进步将提高通信的安全性和弹性。

Q波段和V波段的挑战

高频系统带来诸多好处，但也引入了热管理挑战。随着工作频率的升高，器件效率通常会下降。较低频率的器件效率可能达到40%至50%，而工作在V波段的系统效率通常降至仅为10%至20%。这意味着大部分输入能量被转化为热量，造成了重大的工程挑战，特别是在空间和重量有限的紧凑型卫星和国防系统中。

历史上，在这些频率下工作的GaAs器件提供适中的输出功率，有助于缓解热问题。然而，随着半导体技术的进步和向GaN的迁移，功率输出已显著增加。例如，Filtronic在相同占位面积内，与早期设计相比，已将功率输出提高了4到5倍。虽然这种提升对于克服Q波段和V波段频率的大气衰减至关重要，但它也加剧了热负荷管理的难度。

应对这些挑战需要采取整体方法。高性能热界面材料、芯片贴装解决方案和散热器对于优化散热同时保持机械可靠性都至关重要。此外，系统级设计也起着关键作用。将多个较小的器件组合成一个模块可以均匀分布热量并提高整体热稳定性。热管理的持续改进——从先进材料到精密组装技术——将是确保高频、高功率系统在太空和国防应用中可靠运行的关键。

扩大生产规模增加了复杂性。从原型到大批量制造的规模化带来了重大挑战，因为高频毫米波器件在每一步都需要高精度。材料或互连中的微小缺陷都可能对射频性能产生重大影响。因此，制造技术必须精确，并需要能够处理这些高频应用所需的严格公差的先进工艺。此外，供应链安全也存在风险。目前，许多高可靠性封装设施位于海外，这引发了安全问题，特别是在涉及国防和基础设施的关键应用方面。

GaN的承诺与挑战

GaN在高功率和高频应用中正获得越来越多的关注。凭借其高击穿电压、优异的电子迁移率和卓越的导热性等特性，它正被证明是卫星通信、雷达和国防系统等行业的一个颠覆者。与硅或GaAs等材料不同，GaN能够实现更高效、更高功率的输出，这为下一代技术开辟了新的可能性。

然而，与大多数突破一样，这些优势也伴随着挑战。最大的障碍之一（与Q波段和V波段的挑战类似）是热管理。GaN器件，尤其是那些工作在毫米波频率的器件，会产生高功率密度。GaN器件往往会产生高热密度，在晶体管栅极周围形成热点，造成显著的散热问题。管理这些热量对于维持峰值性能和延长器件寿命至关重要。

这些挑战在国防和太空领域也同样适用。这些系统设计用于承受极端条件，从宽温度波动到暴露于辐射和机械应力。因此，GaN封装不仅要保护器件，还必须确保在恶劣环境（如太空真空或战场）中平稳运行。封装必须确保即使在恶劣条件下也能保持热稳定性和信号完整性。

最后，GaN产生的热量要求封装解决方案达到适当的平衡。所用材料必须能够承受高热负荷，同时还要考虑器件与传统封装材料之间热膨胀系数的差异。如果达不到这种平衡，器件在热循环过程中可能面临机械应力、开裂或分层，从而影响其性能。

用于高频的材料与技术

为应对高频系统的挑战，行业正在探索先进材料和技术。技术人员正在测试银烧结（sintered silver），特别是在芯片贴装方法中。这种材料提供高导电性、无空洞的结合，能有效地将热量从器件中导出，在保持机械强壮性的同时确保更好的性能。银烧结对于航空航天、国防和卫星通信等要求高可靠性的行业尤其有吸引力，特别是在高温和机械应力等极端条件下。它在大规模生产环境中也具有优势。对于关键任务应用，共晶金锡（AuSn）键合是首选。其处理快速热循环和真空环境的能力使其成为稳定性和可靠性要求极高的系统的可靠材料。

此外，衬底材料对性能影响很大。例如，铜钨（CuW）和铜钼（CuMo）是绝佳的选择，因为它们的热膨胀系数与GaN匹配，并提供高导热性。这有助于减少界面处的应力并延长器件寿命。同时，金刚石散热器可以单独使用，也可以与创新的冷却技术（如液冷）结合使用。另一种流行的选择是氮化铝（AlN），它在热性能、电绝缘性和可制造性之间取得了平衡——随着系统变得更紧凑和功率密度更高，这一点变得越来越关键。

用于封装的技术也在不断发展以满足高频系统的需求。传统的引线键合（wire bonding）仍然可靠；然而，它会引入电感和损耗，从而限制带宽和效率。这些限制在毫米波频率尤其不利。因此，倒装芯片贴装（flip-chip mounting）、嵌入式无源结构（embedded passive structures）和3D封装（3D packaging）等较新的方法正获得青睐。这些方法减少了互连长度，最小化了寄生损耗，并优化了热路径，使模块更紧凑、更轻、更高效。随着当今世界的通信需求激增，卫星通信和国防等行业正进一步向高频Q波段和V波段范围推进。

随着各行业追求这些更高频率，围绕热管理、封装和器件可靠性的挑战正变得更加突出。然而，Q波段和V波段也为进步打开了大门，具有扩展数据容量和频谱的潜力，从而改善全球连接性和安全通信。

进入这些更高频率将继续挑战该行业，特别是从设计角度来看。然而，由于更大的数据带宽容量，当今正在取得的进展正在为下一代高性能、弹性卫星网络奠定基础。