5G时代，卫星通信需要更好的功率放大器
5G时代，我们需要更好的功率放大器
作者 | 贾鹏程（广州程星通信科技有限公司董事长）
5G时代虽然还没有正式来到，但是设备商和运营商们的高调宣传，已经让人们对5G时代的网络速度有了一些认识。这种号称能够达到10—20Gbit/s速度的下一代移动通信技术，除了让我们能用更快的速度下载高清电影，还能带来一系列的新形态应用。其中不但包括用于个人体验的VR和AR，也包括用于物联网、智能家居、无人车辆、无人机等M2M应用的连接服务。
为什么机器对机器的通信需要这样大的带宽？这是因为在物联网时代，各种机器都要努力向智能化方向发展。所谓智能化，就离不开超级计算机的支撑。传感器所感知到的图像、声音、位置、姿态及各频段电磁信号，都要通过计算来形成对态势的感知，以及对行动的决策。
但是超级计算机是昂贵而庞大的东西，先后击败了诸多人类围棋高手的“阿尔法狗”，就是个庞然大物，绝不是什么可以装在无人车上到处跑的东西。怎么办呢？
“云计算”！几乎每个人都会给出这样的答案。这就意味着，机器和超级计算机群之间，要保持大带宽的频繁通信。
实际上，当物联网发展到更高的阶段，5G网络也未必能够满足需求。VR的充分发展，可能带来20Gbit/s的个人通信需求，这将对无线通信提出更新、更高的要求。
当然，在5G网络尚未开通的今天，我们还是先把目光回到现实。可以预见，5G网络和4G网络一样，主要是覆盖陆地上的人口密集地区。然而，在人口稀少甚至没有人的地方怎么办？在不可能建设铁塔的大海上怎么办？
根据人类当前能够掌握的技术手段，在这些地方，只能用卫星来解决通信问题。到目前为止，人类部署了静止轨道卫星、中圆轨道卫星和低轨道卫星来实现通信。但是传统上，卫星有着很大的问题，就是通信带宽严重不足。传统的大型静止轨道卫星，可能整个卫星的容量给一部5G手机用都不够。
那么，在只能用卫星的场合，我们可以降低要求，不看高清电影了，行不行？对人的娱乐需求来说，低带宽或许是可以容忍的。但是对机器通信来说，是绝对不可容忍的。无人机、无人车或者机器人和云计算之间的通信带宽只要跌落到一定程度，整个业务系统就崩溃了。所以，必须创造一种技术，让卫星也能提供相当于5G的通信带宽，这就是所谓的高通量卫星。这样的卫星有特殊的天线和星上处理技术，可以用很多个非常狭窄的波束覆盖地面。每个波束里都集中了很宽的频带，相应地就能实现比较高的通信速率。如今，高通量卫星已经是通信卫星产业里成长最快的部分。
工作中的贾鹏程博士
要实现相当于5G的通信，不仅仅要在卫星上采用新的技术，地面终端也要做相应的配套。终端本身的体积、重量和功耗要降低下来，这样才能装在无人机、无人车、工程设备或者其他自主运行的机器上，装在便携式的卫星终端上。而终端的工作频段要扩大、收发功率要提高，这样才能支撑大带宽的通信。所有这些都呼唤着核心器件的进步，其中最主要的就是功率放大器。
卫星通信终端的功率放大器，要把电磁波发射到静止卫星上，要求之高是可想而知的。为此，人们先后使用过真空管、半导体器件作为功放，但是在高通量卫星时代，这两种技术都遇到了瓶颈，前者的体积、重量和功耗下不来，后者的发射功率上不去。
广州程星所做的事情，就是开发一种全新的技术路线，用空间功率合成的方式来解决问题。其中的基本原理，就是在一个很小的波导腔内通过分布在空间场内的三维天线阵列将能量传送给场内的三维芯片阵列，再通过一个对称的天线阵列将放大后的信号合成到输出端。通过精心设计，它们的电磁功率可以在波导腔的有限空间内合成为一个强大波束，再通过外部天线发射出去，直达36000千米以外的静止轨道。
这事情说来简单，但却经历了漫长的求索过程，20多年的时间里，我经历了求学、研发、创业的过程，到现在带领着程星团队，终于实现了中国人自己的空间功率合成放大器。产品的技术水平已经可以和国际先进水平比肩。
目前，广州程星已经推出了多款成熟的产品。这样，只要有高通量卫星的覆盖，无论是在沙漠、森林、高山、海洋还是灾区，5G网络就可以延伸过去，为国民经济和社会发展起到基础性的作用。
作者介绍
贾鹏程
广州程星通信科技有限公司董事长
加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）博士