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拆解马斯克的星链卫星Starlink dish

2021-03-30 阅读:
马斯克的星链计划Starlink在去年8月正式上线后,各用户陆续发表了一些开箱评测,有用户表示其下载速度高达174Mbps,称感觉自己来到了未来。Starlink dish地面终端售价499美元,但据业内人士分析,Starlink的成本大约在2400美元左右,相当于卖一个亏1900美元,因此很多网友对其内部构造充满好奇,这不,最近开始很多网友开始对其进行了拆解。

近日,视频网站是上出现了一些关于Starlink的拆解视频,有关于机械部分的,有关于深入分析其架构和RF的,还有暴力拆解深度分析的,有兴趣的网友可以点击一下视频查看:GgYednc

Starlink 星链天线拆解(机械部分):GgYednc

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Starlink星链用户终端的碟相控阵设计,架构和RF深入分析GgYednc

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Starlink 星链拆解!GgYednc

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拆解详解

2020年卫星通信圈最热门的话题无疑是关于Starlink 星座以及其地面终端Starlink Dish的(以下简称Dish)。GgYednc

星链(Starlink)计划的设计理念,是通过约 4000 枚相互链接的卫星和依据地理分布的地面基站,构筑一个覆盖全球的廉价太空通信系统。马斯克表示“努力让我们公司在火箭方面的成功,在卫星方面也照样实现”。星链计划预定在2020 年代中段铺设完成。GgYednc

如果项目一帆风顺,星链所产生的利润将会是 SpaceX 登陆火星的重要资本。GgYednc

地面终端作为我们能够实际看到的设备,其整机架构和工作模式引起了行业内广泛的讨论。GgYednc

我们针对阵面设计、散热设计和整机相控阵部分的架构设计,给出了一些自己的观点。GgYednc

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板子包括时射频开关,时钟相关电路,基带,波束控制电路,集成度很高,POE电路电机电路,GPS定位等电路。一体化程度度很高!GgYednc

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天线部分(约1300个单元)GgYednc

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射频电路单元GgYednc

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Kenneth Keiter在YouTube上的分析视频显示,这些终端拥有自己的应用处理器和无线电前端单元,这两个芯片都由意法半导体制造,意法半导体还因向苹果公司提供iPhone和iPad的组件而闻名。Kenneth Keiter表示,这两款芯片旨在运行卫星天线软件,并使其天线产生正确的信号与轨道卫星进行通信。意法半导体 2019年推出MPU微处理器,这些微处理器基于32位Arm Cortex A系列内核,采用专门为数字信号控制应用设计的Cortex M4内核。GgYednc

意法半导体目前列出了十二款基于该核心的MPU进行销售,有单核和双核两种选择,频率为800MHz和650MHz。在这十二款中,SpaceX很可能使用的是STM32MP151A/C或STM32MP153A/C的衍生产品。MP153和MP151系列的不同之处在于,前者采用了CAN FD(控制器区域网络灵活数据速率)数据通信协议。由于CAN FD是为汽车开发的,并且主要用于汽车,因此SpaceX很可能使用的是MP151系列当中专门为SpaceX定制版本。GgYednc

SpaceX以大约五分之一的成本出售Starlink用户终端,在此过程中吸收了巨大的损失。这些用户终端的制造成本也不低。SpaceX公司以499美元的价格将它们卖给了第一阶段Starlink测试版用户,包装中包括一个WiFi路由器和一个安装三脚架,一份报告表示 SpaceX公司自己吸收的费用大约是这个金额的四倍。GgYednc

这份报告援引一位内部人士的话分享了SpaceX与意法半导体制造协议的细节。根据细节,该公司可能向终端制造商支付了高达24亿美元的费用,用于制造100万台用户终端。根据内部人士的说法,最终用户终端单价已经定在了2400美元左右,如果属实,那么SpaceX LLC(SpaceX公司的Starlink子公司)要想实现正底线利润,还需要相当长的时间。SpaceX公司因这些终端而承担的亏损将通过公司通过该服务产生的运营利润进行核算。埃隆-马斯克去年5月份曾经表示,发射一批60颗卫星的成本大约为1500万美元。GgYednc

辐射面天线阵设计

参考了Ken Keiter的拆解视频,我们发现Dish天线采用以空气作为介质的双层耦合天线,这不同于传统的印制板工艺的多层贴片天线。该天线具有30%的相对带宽,满足接收10.7-12.7GHz和发射14.0-14.5GHz 的频率需求,可有效降低印制板层数和加工难度,同时具有低成本效应。GgYednc

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单元辐射贴片GgYednc

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单元寄生辐射贴片GgYednc

我们根据视频中的单元信息,推测出了以下的单元模型:GgYednc

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单元模型GgYednc

但是采用该类型单元会带来严重的阵元间互耦问题,不利于天线进行波束扫描。我们猜测是采用了EBG结构的或者高阻表面设计来降低天线之间的互耦影响,如下图所示。GgYednc

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Dish的整个阵面如下:GgYednc

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Dish阵面图GgYednc

该阵面采用三角布阵,为了降低雨衰大概率会使用圆极化。关于圆极化的实现方式,我们猜测是由线极化单元旋转馈电以产生圆极化效果。同时接收和发射采用不同的馈点。天线单元与射频末级芯片的工作原理如下:GgYednc

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取巧的散热技术

根据POE供电功率极限推算,Dish整机功耗不会大于100W。Dish没有采用风扇进行主动散热,甚至连散热齿也没有。这无疑颠覆了很多人对于相控阵天线热设计的理念。仔细思考和仿真后我们发现,正是因为其低于100W的整机功耗,使得该设计得以成功。我们猜测,Dish还将这100W功耗作用其他目的:Dish具有自动融化覆盖在天线罩表面冰雪的功能!热量通过背部的屏蔽壳首先被直接传导到天线罩的边缘。对天线罩辐射面进行加热。该猜想也在官方的文件中得到了答案,并且该功能还可在后期的固件升级中,进一步加强。GgYednc

关于该功能可以使用一个特殊设计的载波使得整机处于最大功耗工作模式且射频前端相位处于无序配置状态,使得该系统在不干扰系统系统的情况下达到迅速升温融雪化冰的目的。GgYednc

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图中,天线罩的边缘有一圈用于导热和加热边缘的金属涂层GgYednc

整机架构猜想

关于相控阵天线的工作模式和系统架构,也是行业关注的重点,这其中同时涉及到不少对星链系统工作模式的推测。下图是另一个非常关键的点:GgYednc

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‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍我们猜测dish的射频部分采用两种芯片分工完成:GgYednc

  • 体积较大的8通道射频前端芯片,具有调幅调相并且带有混频功能;
  • 体积较小的2通道射频末级芯片,具有低噪声放大和功率放大功能;

Dish整机系统采用射频前端芯片和射频末级芯片搭配使用的方式,数量比例为1:8。由于射频前端芯片带有混频功能,大部分热量也集中在该芯片上。大量射频前端芯片被盖上铝箔,这里有两个作用:帮助进行热量传导和对该芯片局部做电磁屏蔽。正是因为射频前端芯片带有混频功能,该芯片的屏蔽工作更为重要。GgYednc

射频末级芯片没有调相功能,所驱动的两个天线会形成一个固定相位的子阵。这种构架在5G毫米波通信系统中也被应用。该设计能够在G/T基本不变的情况下减少一半的射频末级芯片使用数量和功耗,是一种非常有效的设计方法。GgYednc

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系统原理图GgYednc

(本文由射频百花潭编辑整理,后部分内容出自恪赛科技。)GgYednc

责编:DemiGgYednc

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