卫星互联网势不可挡,Starlink蝶形天线设计及材料解析
来源 : 塑库网
作者 : plasdate
时间 : 2021-08-23
辐射面设计

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。
 
我们根据视频中的单元信息,推测出了以下的单元模型
单元模型
 
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。

 
Dish的整个阵面如下:
 
Dish阵面图
 
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:

 

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。

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华冰的目的。
 


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,该系统的导热模型如下图所示:
 


在寒冷的冬天Dish可以自动加热天线罩防止冰雪堆积,或者开机时自动工作一段时间融化堆积在表面的冰雪。坐在屋内这一切就能自动完成,确实是挺惬意的。
 
工作在低温环境下的Dish
 
我们团队针对该功能通过建模进行了仿真。在-20℃环境温度下,设备加热20分钟时的热量分布图,可以看到热量被有效传导到了天线罩的边缘。

-20℃环境温度工作20分钟时瞬态
 
40℃环境温度下,设备也能有效的将热量导出进行散热
40℃环境温度稳态

 

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:



我们猜测dish的射频部分采用两种芯片分工完成:

l 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;

l 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。

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。

结构材料篇

 
Starlink Dishy需要与卫生链接,因此需要安装在上方没有阻挡的位置,因此会长期暴露在户外,受到紫外线照射,风吹雨淋。外壳和天线罩材料需要选择耐候性非常好的材料。ASA,PC,PBT合金等都是非常不错的可长期耐候材料,但PBT的收缩率大,变形问题突出,对模具设计和成型的挑战较大,因此不适合这种精密高的零件。

PC和ASA都是无定形材料,在收缩率和翘曲变形上比结晶材料有很大的优势,同时也能满足5-10年的耐候需求,因此是不错的选择。ASA的耐热性差,RTI90度以下,在暴晒的同时加上工作温升,耐热略显不足。这样的话,耐候PC就是一个非常不错的选择了。这里面,硅PC是近年比较流行的户外PC解决方案,在基站天线罩,太阳能等典型户外应用上广受欢迎。还有一些其它的共聚PC,例如SABIC LEXAN SLX,其具有出色的超级耐候性能,同时又保持了传统PC的抗冲击特性和耐热性。
 

天线罩

 
从拆机视频看,其天线罩是非常薄的,同时又是曲面的,似乎是薄膜复合成型的。那从薄膜的选材上,我们分析一下可能的要求,
1. 耐候
2. 低介电损耗,低介电常数
3. RTI120度或更高
4. 易清洁,低的水接触角、疏水性
5. 易于其它材料复合
 
氟塑料是所有塑料里微波透过性能优异的材料,例如PTFE就是所有塑胶材料里介电常数和介电损耗最低的品种了。同时氟塑料有具有优异的耐候性,疏水性,耐热性,被广泛用于航空航天,卫星通讯,建筑防腐等领域 但是因为氟元素的惰性,因此大多数氟材料不易于其它材质进行复合。ETFE和ECTFE是氟塑料里为数不多的具有较好复合性能的材料。
 
常用氟塑料性能比较
 

ETFE薄膜

 
ETFE:乙烯-四氟乙烯共聚物的英文为:ethylene-tetra-fluoro-ethylene,英文简称为:ETFE,俗称:聚氟乙烯,又俗称:F-40。ETFE(F-40)氟塑料来源于美国杜邦公司、日本旭硝子、日本大金公司,主要应用于防腐蚀衬里。该材料具有聚四氟乙烯的耐腐蚀特性,同时又有对金属特有的较强粘着特性,克服了聚四氟乙烯对金属的不粘合性缺陷,加之其平均线膨胀系数接近碳钢的线膨胀系数,使ETFE(F-40)成为和金属的理想复合材料,具有极优良的耐负压特性。ETFE film拥有卓越的不粘性、离型性、防污性及高柔韧性,即使在室温条件下,单向拉伸强度也可以达到400%以上。因其优异的不粘性与柔韧性,ETFE film被广泛用作离型膜及防污薄膜。以下是ETFE薄膜的一些典型用途。

 
ECTFE树脂是乙烯和三氟氯乙烯1:1的交替共聚物,熔点为464F(242°C )此材料从低温到 330T的性能良好,其强度、耐磨性、抗蠕变性大大高于PTEE、FEP和PFA。它在室温和高温下耐大多数腐蚀性化学品和有机溶剂。它的介电常数(2.6)低,在很宽的温度和频率范围内性能稳定。ECTFE不着火,可防止火焰扩散,当暴露在火焰中时,将分解成硬质的碳。

ECTFE薄膜机械性能在长期UV暴露后的变化
 
因此,ECTFE和ECTFE薄膜是复合材料卫星接收天线罩的不错选择。如希望进一步了解,请联系塑库网,其会根据您的需求对接合适的厂商。