【众妙之门】锦汇资本 | 商业航天、卫星互联网系列三：卫星通信通信载荷及地面端
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《商业航天、卫星互联网系列三：卫星通信通信载荷及地面端》
作者：汪建川（锦汇资本投资总监）
上两期我们整理了商业卫星的概况、卫星平台的组成及价值构成，这一期我们重点整理了通信载荷的情况，通信作为发展卫星互联网核心目的，也是未来6G建设的重中之重，同时也是商业航天和卫星互联网未来商业模式面向成熟，实现盈利的核心路径及手段，因此卫星载荷及地面通信信关站在卫星互联网及商业航天显得尤为重要。其次在商业航天及卫星互联网领域通信载荷在发射端价值占比仅次于商业航天，在卫星制造中通信载荷价值占比50%-70%，价值占比高于卫星平台本身，若实现天地互联，地面端市场规模更大，为此我们团队调研走访了国内多家天线系统及TR组件的研发生产企业，有了一些自己的想法与思考与大家共享。
卫星互联网链路结构可以分为：用户链路、馈电链路和星间链路，其中前两者必备，星间链路是未来发展方向。当前大部分卫星系统主要依靠地面通信站来进行信息中继服务。星间链路的建设可降低地面段的复杂度和投资成本。在网状组网方式架构下，卫星间架设星间链路，用户无需经过地面网络系统，可直接接入卫星互联网络，从而降低对地面网络的依赖，实现空中网络节点的连接和组网，将多颗卫星有机地组合为一个整体，形成星座系统，达到网络优化管理以及连续性服务的目标。
第一阶段：无星链间通信。本质上是“天星+地网”模式，卫星星座是一个有卫星全球覆盖能力的局部通信系统，卫星业务能否全球开展取决于能否在全球范围内部署信关站。
第二阶段：有星链间通信。本质上是“天网+地网”模式，是一个有全球覆盖能力的卫星通信系统，卫星业务的全球开展从技术上看不依赖于全球布站，仅需部署少量信关站即可开展业务。
卫星通信是对地面网络的重要补充。传统的卫星通信系统和地面蜂窝网络是相互独立的。早期的卫星网络被视为一种覆盖范围广泛的组网技术，与地面移动技术相互竞争。然而，在全球通信生态系统中，卫星通信被认为是5G-Advanced和6G的重要组成部分。通过以较低的成本构建卫星互联网，作为5G/6G地面覆盖的补充，形成星地融合组网，可以支持多样化的服务和应用。自 2000 年开始，地面网络逐渐占据主导地位，卫星通信成为地面网络的补充和延伸，主要负责在海事、边远地区等应急通信和连接。自2018年后，以美国星链条系统为首的低轨卫星服务能力大幅增强。在ITU的技术愿景和3GPP的Release 制定上，已经包含5G/6G NTN 的工作组和协议内容。NTN的主要形式是手机直连卫星，可以实现随时随地空天地的广泛接入，并提供理想的带宽信号。
卫星互联网链路主要分为用户链路、馈电链路和星间链路，由于发展商业航天实现其商业价值主要目的在于实现用户端的自由通信，同时用户端通信亦是市场规模最大，价值最显著的。本篇重点讲用户链路。
在聊用户链路之前我们简单了解一下馈电链路和星间链路。
馈电链路主要作用是实现卫星的发射、入轨、变轨、避让、卫星状态信息检测、测运控以及现阶段遥感卫星数据的上传下达、卫星运行轨迹监测等。馈电链路主要以S、X波段为主，主要以在固定区域建立站点+移动站点相结合的方式提供服务，主要服务设备为抛物线锅，目前国内参与企业不多，其中实力最强数中国西安卫星测控中心，民营参与企业有航天驭星、星邑空间、西安寰宇和天链测控，目前融资进程最快的当属航天驭星，服务客户数量及测运控圈数最多的当属航天驭星及星邑空间。当然，西安卫星测控中心由于军方涉密，具体信息未知，整体科研能力、测运数量肯定最强。
星间链路是未来实现空天地一体化、低成本高质量卫星通信的重要路径，亦是卫星互联的核心技术，目前被认为最有可能产业化的是激光通信，核心原因是马斯克已经在部分卫星上部署了激光通信链路，国内起步较晚，目前还处于科研阶段。当然更高频段的太赫兹通信亦有相关标的企业及科研院所在研究，后期有机会针对星间通信单独整理一篇供大家交流。
用户链路是商业航天卫星通信的核心价值所在，也是发展商业航天卫星互联网的核心目的，同时亦是实现行业商业价值的主要路径。现阶段用户链路竞争格局尚未形成、技术路线百家争鸣，产业链相对较长，从射频、变频、基带芯片设计、代工，到TR组件厂商、天线分系统、转发器系统均有参与单位，且大部分参与企业之前均在雷达探测领域有所布局。
射频：一般是信息发送和接收的部分；基带：一般是信息处理的部分。射频(Radio Frenquency)和基带(Base Band)皆来自英文直译。其中射频最早的应用就是Radio——无线广播(FM/AM)，迄今为止这仍是射频技术乃至无线电领域最经典的应用。基带芯片可以认为是包括调制解调器，但不止于调制解调器，还包括信道编解码、信源编解码，以及一些信令处理。而射频芯片，则可看做是最简单的基带调制信号的上变频和下变频。所谓调制，就是把需要传输的信号，通过一定的规则调制到载波上面，然后通过无线收发器(RF Transceiver)发送出去的工程，解调就是相反的过程。
射频简称RF射频就是射频电流，是一种高频交流变化电磁波，是Radio Frequency的缩写，表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围在300KHz～300GHz之间。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。高频(大于10K)；射频(300K-300G)是高频的较高频段；微波频段(300M-300G)又是射频的较高频段。射频技术在无线通信领域中被广泛使用，有线电视系统就是采用射频传输方式。
网络性能与网络制式是卫星通信迈向更强通信体验的关键步骤，而射频器件作为信号的产生环节，直接决定了卫星网络性能的绝对核心。我们认为，投资卫星的核心，就是投资射频。
相控阵雷达的无线收发系统主要分为四个功能模块：数字信号处理模块、数据转换模块、T/R组件和天线。
数字信号处理模块：数字信号处理模块主要包含基带芯片，基带芯片一般由：处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器、接口中的部分或全部组成，未含有部分一般也在数据转换模块中的架构有设计，我们常说的数字信号处理模块主要目的就是经中段调频后的射频信号转换成数字信号。
数据转换模块：现阶段的通信频段主要往高频方向发展，目前主流的频段的发展方向为为Ka、Ku、W波段，这种高频的射频信号需要经过数据转换模块转换成基带芯片可以识别并编码的低频信号进行处理。
TR组件模块：RF组件模块是卫星通信价值占比最高的部分，其核心功能是负责收发射频信号，并对高频的射频信号在收发过程中进行滤波、增益、放大等处理。
天线：天线是无线通信中向空间辐射或从空间接收电磁波的装置，天线的核心性能指标有：辐射方向、辐射角度、增益能力及辐射距离等。
根据公开信息测算，如果以通信卫星中平台成本占30%、载荷成本占70%计算，卫星载荷成本中天线分系统占载荷成本的75%，即天线分系统在卫星总成本中占比要超过50%。大致的价值占比如下图所示：
数控移相器：移相器（Phaser）是能够对波的相位进行调整的一种装置。任何传输介质对在其中传导的波动都会引入相移，移相器的作用是将信号的相位移动一个角度。数控移相器是通过数字控制，可编程，或可通过计算机接口进行控制。在此情况下，“数字”表示其为一种双状态装置，其中各状态在微波频率下具有不同插入相位。
数控衰减器：数控衰减器是双向双端口无源器件。顾名思义，衰减器会衰减或降低通过它的信号的功率电平，就像电子线路里面的电阻一样。在复杂的测试环境中，衰减器除了衰减信号外，还具有阻抗匹配、信号电平控制和隔离等其他重要的特性。其主要作用是提供衰减一保护仪器，数控衰减器就是可数字编程及控制。
功率放大器：功率放大器是各种无线发射系统中最重要的组成部分。发射链路信号需要经缓冲级放大、驱动级放大和末级功率放大，再馈送到天线以向外辐射，实现输入激励信号的增益放大并将直流功率转换成微波功率输出。功率放大器作为输出功率最大、功耗最高的器件，其性能水平和效率也决定了发射系统的性能。
低噪声放大器：低噪声放大器是雷达、电子对抗、现代通信等应用中接收系统的关键元器件，主要用于接收系统前端，在放大信号的同时抑制噪声干扰，提高系统灵敏度，其功能决定了接收系统的性能。
限幅器：限幅器用来在接收机前端保护低噪放器件，其作用是把输出信号的幅度限定在一定的范围内，即当输入功率电平超过某一参考值后，输出功率将被限制在限幅电平，且不再随输入电压变化。
开关芯片：开关芯片的作用是将多路射频信号中的任一路或几路通过控制逻辑连通，以实现不同信号路径的切换，包括接收与发射的切换、不同频段间的切换等，以达到共用天线、节省产品成本的目的。
功分器芯片：功分器全称功率分配器，是一种将一路输入信号的能量分成两路或多路输出能量相等或不相等的器件，也可反过来将多路信号的能量合成一路输出，此时可也称为合路器。
模拟波束赋形芯片：模拟波束赋形芯片是将单个或多个射频收发通道单片集成，每个射频通道拥有独立信号放大、开关切换以及幅度和相位控制功能电路。并且芯片还同时包含数字控制、波束存储、电源调制以及温度传感等必要的辅助电路模块。
行波管放大器:行波放大器是一种利用行波原理进行信号放大的电子器件。其工作原理是利用电子束在慢波系统（例如螺旋线或梳形结构）中行进时，与电磁波相互作用，通过能量交换实现信号的放大。行波放大器具有高增益、低噪声、大功率输出和宽频带等优点，因此在高频信号放大、高频噪声抑制、雷达和通信系统等领域得到广泛应用。
速调管放大器：用电磁波对电子束进行速度调制，再把群聚后的电子的能量转移给电磁波，实现电磁波的能量放大。
目前TR芯片主要技术路线有三种：化合物路线、硅基路线和硅基+化合物通过SIP进行复合封装路线。
化合物路线：化合物路线主要是指通过砷化镓GaAs或氮化镓GaN实现信号的收发功能。目前GaAs技术路线非常成熟，国内代表的企业有中电科13所、55所（国博电子）、铖昌科技以及雷电微力等，砷化镓主要参与者之前核心业务是为军用雷达、电子对抗领域进行配套使用，受益于卫星通信发展，现阶段国内通信卫星的卫星端主要用的依然是砷化镓方案，但是砷化镓方案核心痛点是成本较高，单射频芯片单通道成本均在500元左右。以马斯克地面段为例，基础版本1024通道，地面端射频芯片成本在50万以上，算上其他部分一个地面端就得百万价格，高昂的成本亦是制约国内卫星通信发展的主要壁垒。氮化镓因其更低的良品率成本还要高于砷化镓，短期内仅在对性能要求极高，成本极不敏感的领域有所应用。
硅基路线：硅基路线分为两个方向，其一是纯硅基CMOS技术路线，国内主要代表企业有天锐星通；其二在硅基衬底的基础上外延一层绝缘层，也就是我们说的是锗硅SOI工艺，国际上代表企业有意法半导体，其中马斯克地面端用的就是意法半导体的BCD工艺；国内从事SOI工艺研究的有安其微电子和北京巨束；硅基路线特点是集成度高、晶圆便宜量产后成本较低，是现阶段大家最为看好的方向。纯硅基路线缺点是在噪声系数、功率等性能上相较于化合物路线有较大差距，只能适用部分场景。SOI路线在性能上和成本上兼具化合物和纯硅基的特点，目前市场研发热度较高，但国内尚无可批量流片的产线，供应链安全上面临着较大的挑战，国内锗硅的晶圆四寸线亦不成熟，需要产业链上下游同心协力解决各个赌点问题。在成本端，国内目前尚无大批量化出货的企业，考虑到流片费用，边际成本依然较高，参考马斯克基础款地面端599美金以及18个月每月99美金资费可实现营收平衡推测其BCD工艺单通道成本在20元人民币以内。
硅基+化合物复合路线：随着国内封装技术的快速发展，鉴于以上两种路线都有其优势及痛点问题，现阶段国内还研制出用硅基+化合物通过先进SIP封装实现的一个中间技术路线；其中，功率放大器、噪声放大器等性能要求较高的功能芯片采用传统化合物工艺；性能要求相对较低的用纯硅基CMOS芯片，性能上能基本满足要求，成本上相较于传统化合物也具备一定的优势。目前单通道成本应该在200元左右，该路线目前采取的企业较多，如智芯雷通、华兴大地、天地一格、科塔等众多企业。
笔者认为：随着国内卫星互联网的快速发展，技术的不断迭代及规模优势逐步显现，传统的化合物路线成本逐步降低，国内纯硅基CMOS路线及SOI路线逐步技术成熟，未来也很有希望成为主流技术方案。受限于个人知识结构有诸多不当之处望大家指正，同时也希望创投机构的朋友或者创业者朋友有关于卫星通信产业的项目可以沟通交流，期待有深入的合作机会。
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