傳統Ka頻段地面站衛星通訊系統依賴室內到室外配置，室外單元包含天線和模組下變頻接收器，接收器輸出L頻段的類比訊號。該訊號隨後被傳送至室內單元，室內單元包含濾波、數位化和處理系統。Ka頻段的干擾訊號通常較少，因此室外單元的主要任務是以線性度為代價來優化雜訊係數。室內到室外配置很適合地面站，但難以融合到小尺寸、重量輕、低功耗(SWaP)的環境中。若干新興市場推動著對於小尺寸Ka頻段存取的需求，如無人機(UAV)和步兵若能存取此類通道則將大幅受益，對於無人機和步兵，無線電功耗直接決定著電池的壽命，也進而決定著任務時間。此外，過去專門用於空中平台的傳統Ka頻段通道，現在正被考慮用於提供更廣泛的存取。這意味著，傳統僅需要下變頻單一Ka通道的空中平台，現在可能需要運作在多個通道上。
根據衛星通訊業界的最新趨勢顯示，訊號傳輸正從X頻段和Ku頻段推進到Ka頻段。在某種程度上，這是因為該頻率範圍內很容易建置頻寬更寬廣的收發器。與此同時，X、Ku和Ka頻段中的發射器總數也正在不斷增加。過去，Ka頻段中的發射機數量非常少，但隨著這種趨勢的發展，此範圍內的頻譜將會變得越來越擁擠。這也為此類系統的收發器設計帶來了挑戰，尤其是針對低SWaP市場，這些市場的尺寸和功耗要求會限制可達到的選擇率。由於選擇率壓力越來越大，人們自然會權衡考慮，進而降低選擇率要求。在某些情況下，例如頻譜環境不那麼明確的行動平台中，這種折衷是有意義的。但在其他可以非常精確地預測干擾的平台中，選擇率仍將是最高的優先目標。
室內和室外概述
在典型的永久性衛星通訊設施中，室外設備和室內設備在功能上是分開的。室外設備由Ka頻段天線、低雜訊模組(LNB)和下變頻級組成，其將Ka頻段訊號下變頻為L頻段訊號，然後發送至室內單元。LNB和下變頻級通常合併為一個單元，其輸出端利用同軸電纜或光纖將訊號發送到室內以供進一步處理。在天線端下變頻至1GHz到2GHz訊號，可防止連接到室內單元的電纜產生額外損耗。室內單元由L頻段接收器和解調器組成，此單元負責對訊號做進一步濾波、數位化和處理。此外，它與地面傳輸網路相連，以便將訊號發送到中央處理地點。
在發射側，波形產生發生在室內L頻段設備中，訊號透過同軸電纜或光纖發送到室外設備。室外設備包含如下元件：一個模組上變頻器(BUC)，用以將訊號從L頻段變頻至Ka頻段；一個HPA，用以將訊號放大到所需的發射功率水準，以及一根天線。如果接收器和發射器共用該天線，則還會有一個雙工器，用以將發射機訊號和接收器訊號隔離開來。
尺寸和功耗
由於是永久設施，固定安裝地點中的元件通常不是針對低SWaP而設計。根據其特性和濾波要求，室外LNB可能有10×4×4那麼大。它通常盡可能靠近天線饋線放置，以優化系統雜訊係數。室外BUC通常有相同的尺寸，而室外HPA可能非常大，具體尺寸則取決於輸出功率要求。室內設備包含一個19英吋寬機架安裝解調器，它可以與其他機架安裝數據機或處理設備疊放在一起。此設備負責完成接收和發射衛星通訊訊號的任務，但其SWaP效率可能不是很高。
低SWaP市場
隨著全球行動通訊發展的深化，以及人們期望即便在最偏遠地區也能夠有通訊和資料連結可用，市場對降低SWaP的呼聲也隨之越來越高。近年政府和商業對無人機的使用越來越普遍。無人機可用在距離其基地超過數百英里的偏遠地區，日益依賴衛星通訊來發送收集到的資料及接收操作員指令。此外，商業市場所開發的無人機用途越來越廣泛，其中許多既需要與衛星通訊，也需要與其他航空器通訊。這也導致使用的頻譜更高，先前對高頻譜的使用則非常少。隨著頻譜變得越來越擁擠，濾波、頻率規畫和彈性變得越來越重要。
低SWaP衛星通訊持續成長的另一個市場，是掌上型和可攜式領域。除安全通訊外，人們還希望發送和接收更多內容，這導致對手持裝置的需求不斷增加。人們渴求快速發送資料，包括照片、影片檔、地圖，以及擷取頻寬更寬的訊號。這要求提高暫態頻寬，而外形尺寸則保持不變，或甚至比上一代更小，同時要降低功耗，以免須隨身攜帶著笨重昂貴的電池。
另外，與波形無關的系統有很多潛在好處，可以進行配置以使其在任何給定波形環境中發揮作用。在當今的一些軍用系統中，航空器上需要三到五個不同的收發器系統，以使不同系統相互通訊。將這些系統合併成一個與波形無關且具有軟體定義彈性的系統，可以讓尺寸縮小5倍。
低SWaP設計挑戰
來自低SWaP市場的需求不斷增加，但還有許多挑戰須克服。舉例來說，單單濾波這一項要求就會使此類系統的尺寸增加不少。隨著頻率範圍提高到Ka頻段，當下變頻到1GHz中頻(IF)時，越來越難以實現同樣的抑制性能。而這就須增加濾波器數量或是增大濾波器尺寸，而且這些濾波器並不便宜，每個通常要花費200美元或更多。就此而言，較高中頻會很有利，因為這樣可以降低濾波器要求。
此外，在低SWaP市場中，網路的不同節點以網格方式通訊，部分網路沒有地面基礎設施。由於沒有一個中央位置來執行處理，因此各收發器必須能夠處理收到的資料。傳統衛星通訊市場的天線與處理器之間是分離的，但在低SWaP市場，人們希望數位化處理和現場可編程閘陣列(FPGA)盡可能靠近天線。這種本地端的處理為此類網路應使用多少頻寬設置了限制，因為要處理的頻寬越寬，則所需的時脈速率和元件功耗越高。在傳統固定安裝的Ka頻段網路中，可以使用高達1GHz的暫態頻寬。在低SWaP市場中，100MHz到200MHz更符合實際。
為了解決這些接收器挑戰，傳統辦法是採用超外差架構，其會將Ka頻段下變頻至L頻段，在下變頻到L頻段之前可能還有一個中間級。這種方法須使用大濾波器，元件數量多且功耗高，無法支援低SWaP要求。有鑑於上述的限制，使得典型超外差架構也開始在此類應用中逐漸式微。
高中頻架構
針對此類市場，更好且更合適的架構是高中頻架構。這種架構發揮了直接變頻收發器相關技術的最新進展優勢。在直接變頻收發器中，輸入RF能量直接變頻到基頻，並分割為I和Q兩個單獨的串流。此類產品已將其頻率範圍提高到6GHz，從而支援新的獨特使用場景。過去，這些元件的性能滿足不了要求超高性能的軍用和商用系統的需要。但根據最新進展顯示，利用這種技術可以滿足高性能需求。
這些元件的一些最新進步包括：頻寬更高、線性度更好、整合數位訊號處理功能更多、校準更輕鬆。這些元件的典型頻寬高達200MHz，而且可以針對不需要高頻寬的情況進行調整。在頻譜擁擠的環境中，此類元件的高線性度還有助於提高性能。這會使靈敏度略為降低，但在這種環境中，此類折衷是必要的。此外，整合DSP功能可降低系統中FPGA的負擔，節省功耗，減少複雜性。這些元件整合的FIR濾波器可進一步協助解決擁擠環境中常見的許多通道選擇率問題。
此類元件的另一個進展，是整合了連續時間Σ-Δ型ADC(CTSD)。抗混疊濾波是這類ADC的固有功能，因此不再需要SAW濾波器，這有助於降低此類系統的延遲。
在高中頻架構中，Ka頻段不是直接變頻為基頻，而是先轉換到高中頻，然後饋入直接變頻接收器。由於此類轉換器的頻率範圍得到提高，該中頻可以放在5GHz到6GHz之間。中頻頻率從1GHz提高到5GHz，使鏡像頻率範圍比以前離得更遠，故可大幅降低前端濾波的需求。前端濾波簡化是縮小此類系統尺寸的一個因素。
整合型直接變頻收發器
圖1顯示採用整合型直接變頻收發器的系統案例，該系統由一個17GHz到21GHz的接收器通道(表1)和一個27GHz到31GHz的獨立發射機通道(表2)所組成。從接收器通道開始，輸入RF能量先由Ka頻段LNA放大，再進行濾波以讓17GHz到21GHz訊號通過混頻器。混頻器利用一個22GHz到26GHz範圍的可調諧LO將17GHz到21GHz頻段以100MHz一段下變頻至5GHz IF。前端濾波器處理27GHz到31GHz範圍中的鏡像抑制、LO抑制和帶外訊號的一般抑制，防止來自m×n鏡像的雜散訊號透過混頻器。此濾波器很可能須客製，但由於對此濾波器的要求降低，所以其尺寸、重量和成本會比傳統系統要低。
圖1 採用AD9371的接收器和發射機衛星通訊系統示例
表1 接收器性能
表2 發射器性能
一旦將RF前端轉換到5GHz的高中頻，就會進行進一步放大和濾波，然後發送到收發器。高中頻所需的濾波比較弱，利用現成的經濟小型LTCC濾波器即可輕鬆完成。這裡的主要重點是要確保無中頻諧波影響收發器。在發射側，該收發器可用來產生並輸出最高+4dBm的5GHz波形。IF位於5.3GHz的頻率，不同於接收器上的5.1GHz，這是為了降低兩個通道之間發生串擾的可能性。然後對輸出濾波以降低諧波水準，接著饋入上變頻混頻器，變頻到27GHz至31GHz前端。這可以利用與接收器側相同的22GHz至26GHz範圍的LO來完成。
此外，採用直接變頻收發器可為頻率規畫提供更大的彈性。這裡僅提供一個例子，但還有許多可能的頻段可以使用相同的架構。該收發器能夠快捷輕鬆地改變其IF頻率，使得系統可以靈活地避免具有問題的雜散回應，或者像人們對軟體定義無線電的預期般來進行性能的優化。
世界各地都須借助通訊和資料實現連接，這使得衛星通訊收發器的數量越趨增加。近年來，X和K頻段日益擁擠，故而推動低SWaP系統向Ka頻段發展。無人機、掌上型無線電或戰車上安裝的衛星通訊網路的激增，強烈要求透過創新方法來降低SWaP，同時保持高性能指標。在高中頻架構中，本文已展示了一個合適的平台來在這些頻段中實現更高的選擇率，其利用了目前可用的整合型直接變頻收發器之小尺寸和低功耗特性。