用于卫星通信的系统和方法技术方案

描述了无线通信的各方面，包括：被配置为用于发射或接收数据的射频(RF)放大器芯片，该芯片包括：包括第一材料的第一基底和包括与第一材料不同的第二材料的第二基底。第一基底和第二基底可以是晶格匹配的，以使得第一基底和第二基底之间的界面区域在大约1332cm

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于卫星通信的系统和方法
交叉引用
[0001]本申请要求于2018年9月19日提交的美国临时专利申请序列号62/733,581的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术介绍

[0002]绕地球轨道运行的卫星具有多种功能：信息的广播、全球定位系统、遥感和科学探索。卫星星座可以在低地球轨道(LEO)、中地球轨道(MEO)或地球静止轨道中。鉴于对移动数据不断增长的需求以及相关于5G网络的预计数据需求，卫星已经获得了人们的关注。因此，已经考虑了卫星性能。

技术实现思路

[0003]本文所描述的设备和系统可以通过提供优于传统RF功率放大器的改善的热性能和线性度而至少解决上述问题。例如，与传统的微波或毫米放大器相比，本文公开的基于金刚石(GaND)上的氮化镓的放大器可以提供以下优点中的至少一些。(1)对于相同的基板温度和芯片设计，相对于传统的固态放大器技术，本公开的各方面可以提供更高的输出功率和更低的热阻。(2)对于相同的基板和芯片大小但是不一定相同的芯片设计，相对于传统的固态放大器技术，本公开的各方面可以提供更高的输出功率、更低的热阻和更有效的热流。(3)对于相同的输出功率和芯片大小，与在较高的基板温度下的传统固态放大器技术相比，本公开的各方面可以在较低的基板温度下提供相等的输出功率。(4)对于相同的线性输出功率和芯片大小，相对于传统技术，本公开的各方面可以提供更高的功率附加效率(PAE)和更高的壁插效率。(5)对于相同的耗散功率(例如，热)和功率通量密度(PFD)受限的线性输出功率，由于降低了高阶互调产物的影响，本公开的各方面可以提供更高的线性度。
[0004]在一个方面，提供了一种用于发射或接收数据的芯片。该芯片可以包括：包括第一材料的第一基底；以及与第一基底相邻的第二基底，该第二基底包括与第一材料不同的第二材料，其中第二基底与第一基底晶格匹配，以使得第一基底和第二基底之间的界面区域在约1332cm
·1处展现出sp3碳峰，通过拉曼光谱法所测量，该sp3碳峰具有不大于5.0cm
·1的半峰全宽，并且其中第一基底和第二基底允许芯片以至少每秒500兆比特的传送速率和至少8GHz的频率来发射或接收发射或接收数据。
[0005]在一些实施方式中，芯片包括射频放大器电路。在一些实施方式中，第一基底具有大于约1000W/mK的热导率。在一些实施方式中，第一基底包括金刚石。在一些实施方式中，第二基底是半导体。在一些实施方式中，第二基底包括III
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V族半导体。在一些实施方式中，第二基底包括选自由GaN、InGaN、AlGaN和InGaAlN组成的群组中的材料。在一些实施方式中，第二基底包括硅。在一些实施方式中，界面区域在1550cm
·1处展现出sp2碳峰，通过拉曼光谱法所测量，该sp2碳峰具有不大于背景减法(background subtraction)后的sp3碳峰的20％高度的幅度。在一些实施方式中，界面区域展现出大于或等于10％的局部背景强度的sp3碳峰。在一些实施方式中，传送速率是至少每秒10吉比特。在一些实施方式中，传送速
率是至少每秒12吉比特。在一些实施方式中，传送速率是至少每秒14吉比特。在一些实施方式中，传送速率是至少每秒100吉比特。在一些实施方式中，传送速率是至少每秒1太比特。在一些实施方式中，频率在从37.5GHz到300GHz的范围内。在一些实施方式中，频率在从37.5GHz到40.5GHz的范围内。在一些实施方式中，芯片包括晶体管，该晶体管包括第二基底。在一些实施方式中，晶体管具有小于40纳米(nm)的特征大小。在一些实施方式中，该频率具有至少50MHz的带宽。
[0006]在另一方面，提供了一种用于发射或接收数据的芯片。该芯片可以包括：包括第一材料的第一基底；以及与第一基底相邻的第二基底，该第二基底包括与第一材料不同的第二材料，其中第一基底和第二基底晶格匹配，以使得(i)对于在线性模式下小于或等于2W的输入功率，芯片在小于30dBi的天线增益内输出5W至42W的范围内的有效辐射功率；以及(ii)芯片以至少每秒500兆比特的传送速率来发射或接收数据。
[0007]在另一方面，提供了一种用于发射或接收数据的芯片。该芯片可以包括：包括第一材料的第一基底；以及与第一基底相邻的第二基底，该第二基底包括与第一材料不同的第二材料，其中第二基底与第一基底晶格匹配，以跨第一基底和第二基底提供大于或等于1000W/mK的热导率，并且其中第一基底和第二基底允许芯片以至少每秒500兆比特的传送速率和至少8GHz的频率来发射或接收数据。
[0008]在另一方面，提供了一种用于发射或接收数据的芯片。该芯片可以包括：包括第一材料的第一基底；以及与第一基底相邻的第二基底，该第二基底包括与第一材料不同的第二材料，其中第二基底与第一基底晶格匹配，其中第一基底和第二基底是晶格匹配的，以使得(i)芯片输出5W至42W范围内的有效辐射功率，且载波噪声比大于25dB，并且(ii)芯片以至少每秒500兆比特的传送速率和至少50MHz范围内的带宽来发射或接收数据。
[0009]在另一方面，提供了一种用于发射或接收数据的芯片。该芯片可以包括：包括第一材料的第一基底；以及与第一基底相邻的第二基底，该第二基底包括与第一材料不同的第二材料，其中第二基底与第一基底晶格匹配，其中第一基底和第二基底是晶格匹配的，以使得(i)芯片输出5W至42W范围内的有效辐射功率，且噪声功率干扰比小于20dB，以及(ii)芯片以至少每秒500兆比特的传送速率和至少8GHz的频率来发射或接收数据。
[0010]在另一方面，提供了一种用于发射或接收数据的系统。该系统可以包括：芯片，该芯片包括：(i)包括第一材料的第一基底，以及(ii)与第一基底相邻的第二基底，该第二基底包括与第一材料不同的第二材料，其中第二基底与第一基底晶格匹配，以使得第一基底和第二基底之间的界面区域在约1332cm
·1处展现出sp3碳峰，其具有不大于5.0cm
·1的半峰全宽，如通过拉曼光谱法所测量的，其中第一基底和第二基底允许芯片以至少每秒500兆比特的传送速率和至少8GHz的频率来发射或接收数据；以及可操作地耦合到芯片的发射或接收单元，该发射或接收单元被配置为发射或接收数据。
[0011]在一些实施方式中，芯片和发射或接收单元是卫星的一部分。在一些实施方式中，卫星是立方体卫星。在一些实施方式中，卫星的重量小于50千克。在一些实施方式中，该系统还包括一个或多个附加卫星，每个卫星包括芯片和发射或接收单元。在一些实施方式中，发射或接收单元包括一个或多个天线。在一些实施方式中，发射或接收单元被配置为向远程发射或接收单元发射或接收数据。在一些实施方式中，数据包括语音、音频或视频数据中的至少一种。
[0012]在另一方面，提供了一种用于发射数据的芯片。该芯片可以包括：可操作地耦合到基底的半导体层，其中该基底具有大于约1000W/mK的热导率，其中该热导率使得该芯片能够以至少40％的效率以及至少30dB的增益来产本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于发射或接收数据的芯片，包括：包括第一材料的第一基底；和与所述第一基底相邻的第二基底，所述第二基底包括与所述第一材料不同的第二材料，其中所述第二基底与所述第一基底晶格匹配，以使得所述第一基底与所述第二基底之间的界面区域在约1332cm
·1处展现出sp3碳峰，通过拉曼光谱法所测量，该sp3碳峰具有不大于5.0cm
·1的半峰全宽，并且其中所述第一基底和所述第二基底允许所述芯片以至少每秒500兆比特的传送速率和至少8GHz的频率来发射或接收所述数据。2.根据权利要求1所述的芯片，其中所述芯片包括射频放大器电路。3.根据权利要求1所述的芯片，其中所述第一基底具有大于约1000W/mK的热导率。4.根据权利要求3所述的芯片，其中所述第一基底包括金刚石。5.根据权利要求1所述的芯片，其中所述第二基底是半导体。6.根据权利要求5所述的芯片，其中所述第二基底包括III
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V族半导体。7.根据权利要求6所述的芯片，其中所述第二基底包括选自由GaN、InGaN、AlGaN和InGaAlN组成的群组中的材料。8.根据权利要求5所述的芯片，其中所述第二基底包括硅。9.根据权利要求1所述的芯片，其中所述界面区域在1550cm
·1处展现出sp2碳峰，通过拉曼光谱法所测量，该sp2碳峰具有不大于背景减法后的所述sp3碳峰的20％高度的幅度。10.根据权利要求9所述的芯片，其中所述界面区域展现出大于或等于10％的局部背景强度的所述sp3碳峰。11.根据权利要求1所述的芯片，其中所述传送速率为至少每秒10吉比特。12.根据权利要求1所述的芯片，其中所述传送速率为至少每秒12吉比特。13.根据权利要求1所述的芯片，其中所述传送速率是至少每秒14吉比特。14.根据权利要求1所述的芯片，其中所述传送速率是至少每秒100吉比特。15.根据权利要求1所述的芯片，其中所述传送速率是至少每秒1太比特。16.根据权利要求1所述的芯片，其中所述频率在从37.5GHz到300GHz的范围内。17.根据权利要求1所述的芯片，其中所述频率在从37.5GHz到40.5GHz的范围内。18.根据权利要求1所述的芯片，其中所述芯片包括晶体管，所述晶体管包括所述第二基底。19.根据权利要求18所述的芯片，其中所述晶体管具有小于40纳米(nm)的特征大小。20.根据权利要求1所述的芯片，其中所述频率具有至少50MHz的带宽。21.一种用于发射或接收数据的芯片，包括：包括第一材料的第一基底；和与所述第一基底相邻的第二基底，所述第二基底包括与所述第一材料不同的第二材料，其中所述第一基底和所述第二基底是晶格匹配的，以使得(i)对于在线性模式下小于或等于2W的输入功率，所述芯片在小于30dBi的天线增益内输出5W至42W范围内的有效辐射功率，以及(ii)所述芯片以至少每秒500兆比特的传送速率来发射或接收所述数据。22.一种用于发射或接收数据的芯片，包括：
包括第一材料的第一基底；和与所述第一基底相邻的第二基底，所述第二基底包括与所述第一材料不同的第二材料，其中所述第二基底与所述第一基底晶格匹配，以在所述第一基底和第二基底之间提供大于或等于1000W/mK的热导率，并且其中所述第一基底和所述第二基底允许所述芯片以至少每秒500兆比特的传送速率和至少8GHz的频率来发射或接收所述数据。23.一种用于发射或接收数据的芯片，包括：包括第一材料的第一基底；和与所述第一基底相邻的第二基底，所述第二基底包括与所述第一材料不同的第二材料，其中所述第二基底与所述第一基底晶格匹配，其中所述第一基底和所述第二基底是晶格匹配的，以使得(i)所述芯片输出5W至42W范围内的有效辐射功率，且载波噪声比大于25dB，以及(ii)所述芯片以至少每秒500兆比特的传送速率和至少50MHz范围内的带宽来发射或接收所述数据。24.一种用于发射或接收数据的芯片，包括：包括第一材料的第一基底；和与所述第一基底相邻的第二基底，所述第二基底包括与所述第一材料不同的第二材料，其中所述第二基底与所述第一基底晶格匹配，其中所述第一基底和所述第二基底是晶格匹配的，以使得(i)所述芯片输出5W至42W范围内的有效辐射功率，且噪声功率干扰比小于20dB，以及(ii)所述芯片以至少每秒500兆比特的传送速率和至少8GHz的频率来发射或接收所述数据。25.一种用于发射或接收数据的系统，包括：芯片，包括：(i)包括第一材料的第一基底，和(ii)与所述第一基底相邻的第二基底，该第二基底包括与所述第一材料不同的第二材料，其中所述第二基底与所述第一基底晶格匹配，以使得所述第一基底和所述第二基底之间的界面区域在约1332cm
·1处展现出sp3碳峰，通过拉曼光谱法所测量，该sp3碳峰具有不大于5.0cm
·1的半峰全宽，其中所述第一基底和所述第二基底允许所述芯片以至少每秒500兆比特的传送速率和至少8GHz的频率来发射或接收所述数据；和可操作地耦合到所述芯片的发射或接收单元，该发射或接收单元被配置为发射或接收所述数据。26.根据权利要求25所述的系统，其中所述芯片和所述发射或接收单元是卫星的一部分。27.根据权利要求26所述的系统，其中所述卫星是立方体卫星。28.根据权利要求26所述的系统，其中所述卫星的重量小于50千克。29.根据权利要求26所述的系统，还包括一个或多个附加卫星，每个卫星包括所述芯片和发射或接收单元。30.根据权利要求25所述的系统，其中所述发射或接收单元包括一个或多个天线。31.根据权利要求25所述的系统，其中所述发射或接收单元被配置为向远程发射或接收单元发射或接收所述数据。32.根据权利要求25所述的系统，其中所述数据包括语音、音频或视频数据中的至少一
个。33.一种用于发射数据的芯片，包括：可操作地耦合到基底的半导体层，其中所述基底具有大于约1000W/mK的热导率，其中所述热导率使得所述芯片能够以至少40％的效率以及至少30dB的增益来产生至少10W的输出功率，以用于放大信号并以至少每秒4吉比特的传送速率和至少18GHz的频率来发射所述数据。34.根据权利要求33所述的芯片，其中所述芯片包括射频放大器电路。35.根据权利要求33所述的芯片，其中所述射频放大器电路包括集成的微波电路或集成的毫米波电路。36.根据权利要求33所述的芯片，其中所述基底包括金刚石。37.根据权利要求33所述的芯片，其中所述半导体层包括选自由GaN、InGaN、AlGaN和InGaAlN组成的群组中的III
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V族半导体。38.根据权利要求33所述的芯片，其中来自所述芯片的噪声功率比的干扰电平小于或等于20dB。39.根据权利要求33所述的芯片，其中来自所述芯片上的交叉极化的干扰电平小于或等于12dB。40.一种用于发射数据的发射设备，包括：权利要求1
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24和33
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39中任一项所述的芯片；和可操作地耦合到所述芯片的发射天线，其中所述芯片被配置为向所述发射天线提供所述输出功率，以用于以所述传送速率和所述频率来发射所述数据。41.根据权利要求40所述的发射设备，其中所述设备是卫星发射机。42.根据权利要求41所述的发射设备，其中所述卫星发射机被配置为在至少400km的高度处发射所述数据。43.根据权利要求41所述的发射设备，其中所述卫星发射机被配置为在约400km至约600km之间的高度处发射所述数据。44.根据权利要求40所述的发射设备，其中所述发射天线具有小于或等于0.5米的直径。45.根据权利要求40所述的发射设备，其中所述发射天线具有至少45％的效率。46.根据权利要求40所述的发射设备，其中所述发射天线具有至少36dBi的增益。47.根据权利要求40所述的发射设备，其中所述发射设备具有小于或等于1度的指向误差。48.根据权利要求40所述的发射设备，其中所述发射设备具有小于2.3或等于dB的指向损耗。49.根据权利要求40所述的发射设备，其中所述发射设备具有至少43dBW的有效各向同性辐射功率。50.一种数据通信链路，包括：根据权利要求40
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49中任一项所述的发射设备；和与所述发射设备进行无线通信的接收设备，其中所述接收设备被配置为接收从所述发射设备发射的所述数据。
51.根据权利要求50所述的数据通信链路，其中所述接收设备包括具有至少65dBi的增益和至少60％的效率的接收天线。52.根据权利要求50所述的数据通信链路，其中每个载波的分配带宽为至少约1200MHz。53.根据权利要求50所述的数据通信链路，其中所述链路具有小于或等于114dB的噪声功率。54.根据权利要求50所述的数据通信链路，其中所述链路具有大于18dB的信噪比。55.根据权利要求50所述的数据通信链路，其中所述链路具有至少每秒5吉比特的最大信道数据速率容量。56.根据权利要求50所述的数据通信链路，其中所述链路具有至少5bps/Hz的频谱效率。57.根据权利要求51所述的数据通信链路，其中所述接收设备的所述接收天线具有至少12米的直径。58.根据权利要求51所述的数据通信链路，其中在所述接收设备的所述接收天线处接收到的功率通量密度为至少80dBW/m2。59.根据权利要求50所述的数据通信链路，其中所述链路遭受至少200dB的传播损耗。60.根据权利要求33
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39中任一项所述的芯片，其中所述信号包括调制的载波信号，并且其中相对于所述调制的载波信号，所述芯片具有减小的信号失真，从而所述芯片的线性度被改善。61.根据权利要求60所述的芯片，其中所述信号失真包括n阶互调产物。62.根据权利要求61所述的芯片，其中所述n阶互调产物包括三阶互调产物或五阶互调产物。63.根据权利要求61所述的芯片，其中所述芯片的所述线性度与(i)所述调制的载波信号的输出功率与(ii)所述n阶互调产物的功率之比率相关联。64.根据权利要求63所述的芯片，其中所述比率为至少30dB。65.根据权利要求63所述的芯片，其中所述芯片的操作信道温度小于200℃。66.根据权利要求33
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39中任一项所述的芯片，其中所述输出功率对应于所述芯片的线性操作模式中的最大输出功率。67.根据权利要求33
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39中任一项所述的芯片，其中所述效率对应于所述芯片的线性操作模式中的功率附加效率(PAE)。68.根据权利要求33
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39中任一项所述的芯片，其中从所述芯片的饱和水平到所述芯片的线性操作模式，使到所述芯片的输入功率回退至少5dB。69.一种用于发射数据的芯片，包括：可操作地耦合到基底的半导体层，其中所述基底具有大于约1000W/mK的热导率，并且其中所述热导率使得所述芯片能够以至少40％的效率和至少30dB的增益来产生至少5W的输出功率，以用于放大信号并以至少每秒300兆比特的传送速率和至少40GHz的频率来发射所述数据。70.根据权利要求69所述的芯片，其中所述芯片包括射频放大器电路。71.根据权利要求69所述的芯片，其中所述射频放大器电路包括集成的微波电路或集
成的毫米波电路。72.根据权利要求69所述的芯片，其中所述基底包括金刚石。73.根据权利要求69所述的芯片，其中所述半导体层包括选自由GaN...

【专利技术属性】
技术研发人员：费利克斯，
申请(专利权)人：阿卡什系统公司，
类型：发明
国别省市：