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卫星通信也许是最有挑战性的混合信号高可靠性的应用。不仅仅用在卫星中的元件必须经受宽范围的温度和辐射考验，而且所有的元件必须有高水平性能和可靠性。现在，空间应用完全进入商业领域，所以，卫星市场所用的器件和元件的价格及尺寸大小也是关键因素。也许最关心的是功率。用UltraCMOS工艺(在蓝宝石衬底上的绝缘体硅工艺)制造器件比用GaAs和体CMOS相比，卫星系统设计人员实现了无比的灵活性，改善了性能和功耗。
在空间应用中有几种关键混合信号(模拟或RF和数字)器件，包括PLL(锁相环频率合成器)、IF集成子系统和前置定标电路。用UltraCMOS制造这些器件，能设计更轻小，性能更高及低成本的卫星系统，使发射成本更低。
开发CMOS的潜能
CMOS的低功率和容易集成的优点是人所共知的。CMOS的先进版本UltraCMOS，是50~100nm硅片直接沉积在红宝石衬底上的完全耗尽型CMOS工艺。采用近似完全绝缘体蓝宝石，UltraCMOS晶片具有标准CMOS工艺特性，低缺陷密度，简单、高产量结构。能绝缘隔离晶体管，与其他工艺相比UltraCMOS改善了功率处理。CMOS工艺具有固有的CMOS逻辑电平，特别适合于集成混合信号设计。
事实上，UltraCMOS工艺为RF和混合信号设计提供截然不同的优越性和新方法。对于卫星应用，有几个可关注的特性。此工艺提供低电容特性，使得在低功率下达到高速。与其他工艺相比，它的完全沉积工艺改善了线性度、速度和低电压性能。UltraCMOS器件具有抗辐射性能，提供2kv HBMESD保护。因为它对大晶片以标准CMOS工艺进行处理，所以，具有成本低的优点。UltraCMOS工艺早在开发初期就用于空间应用。而且能继续改善下一代系统所需的复杂设计。
PLL优越性
卫星信号链路中的关键器件是PLL。通常，这种器件接收非常小的信号(范围-30dBm)并提供控制LO(本振)的复杂数字波形。因为，它是一个混合信号器件，所以，性能指标改进1dB(如相位噪声)会决定性地影响PLL性能。
过去用外部分立元件制造具有良好相位噪声性能的抗辐射PLL。这是一种大的耗电电路，限制了PLL数量，使其可能应用在卫星中。随着单芯片PLL的出现，促使设计人员扩展此应用在先进的卫星系统中，只要相应噪声性能满足系统要求和可靠性能标准就行。
UltraCMOS PLL与分立方案相比，具有单芯片尺寸，功率优越，有较好的相位噪声性能。所实现的UltraCMOS PLL达到业内领先的相位噪声性能指标，是首款可用的抗辐射单芯片PLL。最近推出的PE97632，改善了噪声性能，在1Hz相位噪声达到-216dBc/Hz(相当于在10KHz偏移和2GHz中心频率下的-103dBC/Hz)。随着小小的3dB改进，卫星设计人员可以双倍有效负载值。
PLL的异常相位噪声是UltraCMOS技术对RF混合信号应用固有的适用性所致。例如，一个先进的单芯片PLL包含5000~10000 数字逻辑门和关键性的模拟元件(包括电荷泵，参考缓冲器和输入放大器)。为了实现一个集成PLL，在单项技术中必须设计出每个功能都是最佳化的产品，使其相位噪声对信号链路的贡献最小。
在实现集成时，CMOS是通常的选择。然而，在RF应用时，CMOS总不能满足性能要求。因为有隔离的蓝宝石衬底，所以UltraCMOS技术具有固有的抗辐射和高温特性。UltraCMOS工艺完全是空间品质，提供抗事件闭锁(SEL)性(优越的抗事件干扰小于10-9每位日误差)，允许100克拉总辐射剂量。
为响应UltraCMOS器件引起的显著性能改善，卫星设计人员现正在重新设计卫星结构。例如，具有良好相位噪声性能的集成单片PLL，使卫星设计人员把它们包含在更多的设计中。因此，现在一些最新的卫星中每颗包含上百个UltraCMOS PLL。现在每个通信信道可以经济地装备自己本身的PLL，所以，每个信道可以分离地调节。这类改进可以影响卫星通信市场，使卫星性能用于更多服务(如广播TV和点到点通信)。
简单的子系统
成本、重量和功耗是卫星设计各部分的关键因素。典型的商业卫星发射重量成本为$20k/kg，功耗为$20k/w。因此，降低元件数，把功能组合到单个封装中是非常渴望的。采用UltraCMOS技术为空间应用开发出一个集成子系统，它包括一个IF下变频器并具有数字增益控制。此器件展示出蓝宝石衬底的好处，能实现RF的高集成度，特别是能包含高比例的有源器件。图1所示的芯片以0.5dB/步给出64dB数字步衰减，集成有3线串引接口，能提供80dB总增益。
最近，根据消费者的要求设计了另一个新的UltraCMOS子系统，它在单芯片上集成3个IF放大器和3个数字步衰减器。所设计的IFOC产品是工作在60~200MHz的数字控制可变增益放大器。其集成设计在单芯片中降低到集成数字步衰减的固定增益放大器，其功耗减小近75%。
减小前置定标器功率
卫星用太阳能板和电池产生、存储自己本身的电源。因此，设计人员需要特别节省板上电源。因为这会直接影响卫星的寿命。往往冷却多余热量与产生热量同样花钱多。
用UltraCMOS前置定标器，设计人员在空间应用比采用GaAs器件可节省功耗90%。在UltraCMOS器件使用前，此功能由GaAs器件执行，典型功耗为500mW。
最近，开发的新UltraCMOS前置定标器工作在4~14GHz，是用0.25m UltraCMOS晶体管实现。此器件为卫星制造商提供了灵活的单前置定标器，覆盖宽频率范围。因单芯片前置定标具有相同的工艺技术，所以，所有UltraCMOS前置定标器通路都可无缝的进入UltraCMOS PLL，使系统设计变得容易。
UltraCMOS前置定标器灵敏度在整个频率范围内优于+5dBm，在8GHz附近灵敏度大约为-20dBm。卫星制造商可以用高灵敏度区，在所希望的频率有最佳灵敏度。
在用UltraCMOS实现PLL以前，低成本单片PLL不能满足像商业卫星这样的市场需求。除前置定标器和IF子系统外，设计人员工作在UltraCMOS的目的是把这种有前途的技术用到RF混合信号的所有主要功能中。用高集成单片UltraCMOS电路，制造商可降低元件总量数，简化元件规范和消除对输入/输出的关注。所有这些优点将结合到未来更复杂的系统设计中。(京湘)
