搞射频、做卫星、钻研半导体芯片的同行们还有所有电子相关专业的在校同学以及对低轨卫星感兴趣、想入行的小伙伴我是鲸鹏芯海的謓泽。 咱们《唠透低轨卫星相控阵芯片十件事》正式更新第四篇搞卫星毫米波芯片有多折磨人懂的都懂不讲晦涩理论我会尽量采用大白话讲解一层层拆解干货降低理解门槛看完绝对不打瞌睡。一、先泼两盆冷水很多人看的时候第一反应是天线在转。这实际上说的也没错但是只对了一半。确实有一类天线靠电机带着转鲸鹏在这里举个栗子机场附近那种慢慢旋转的雷达 — 天线转到哪儿就重点探测哪儿业内叫它机械扫描。原理简单直接但笨重、慢、还容易磨损。第二反应是信号在空中拐了弯。这就纯属想多了。电磁波发出去之后会向前传播可它不会突然在半空中拐个九十度。天线上一秒把信号发向左边下一秒把波束切到右边那是后来产生的信号集中到了右边 — 之前往左走的那部分信号照样老老实实往左走不会回头。所以你看到的波束在扫根本不是同一束信号在空中转来转去而是天线在快速地 形成新的波束方向。画面切换得太快眼睛就会误以为物体在持续运动。这就好比我们看到灯泡始终常亮。人眼的感知频率存在上限当灯泡的闪烁频率超出这个限度我们便会觉得它一直亮着。实际上灯泡依旧在不断明暗交替只是人眼无法察觉。光说不动很难看出区别。下图是动态示意图请注意观察下方那一排 小天线 自始至终保持静止移动的是上方的 波束它在正前方两侧来回摆动。好了看到这里你应该已经明白波束确实能够 移动但发生移动的并不是天线本身而是天线内部众多小阵元之间的协作方式。接下来鲸鹏就带大家拆开来讲讲这究竟是如何实现的。二、一块天线里其实塞了一堆 小天线相控阵的特别之处在于它不靠一个天线单打独斗。打开它的阵面看里面整整齐齐排着许多小天线单元少则几十多则几百、几千个。行业里叫它们阵元。每个阵元都能独立发射或接收信号最后大家一起配合才形成最终的那道波束。打个比方想象一排人站在一起拍手。如果所有人同一时刻拍手声音会很整齐传得也远但如果从左到右每个人都比前一个稍微晚一点点拍 — 声音传到不同位置时叠加出来的效果就完全不一样了。某些方向上声音会很响某些方向上反而几乎听不见。相控阵干的就是这个事只不过它控制的是电磁波而且每个阵元之间的时间差非常非常小 — 小到皮秒级别。电磁波在空间里相遇并不是简单堆在一起。有些地方它们的节奏刚好对得上会互相加强有些地方节奏对不上会部分抵消。最后能量比较集中地朝向某个方向这个最集中的方向就是我们平时说的主波束。换句话说波束根本不是天线里射出去的一根实体光柱。它更像是许多阵元发出的电磁波 凑在一起 之后自然形成的一片能量比较集中的区域。这时有同学会好奇地问为什么要布置这么多阵元呢因为阵元数量直接决定波束的 精细程度。阵元越多能量集中得越狠主波束就越窄指向也越准。这就像拍手的人从 5 个变成 500 个叠加效果自然更明显。当然阵元多起来之后控制难度也跟着指数级往上涨 — 500 个人合唱想要不乱套指挥的压力可想而知这个例子怎么样够清晰吗就算你之前不了解这方面的内容相信也能听懂我讲的。三、改变相位 到底是什么意思讲到相控阵我们这行总是围绕不开一个词相位。听起来很专业但你可以先把它理解成 节奏 或者 时间先后。再打个比方。两个人一起推秋千如果都在秋千向前的时候用力力量能叠加秋千越荡越高如果一个在向前推另一个却在反方向用力效果就互相抵消了。相控阵本质上就是在处理 能不能用到一起 这件事。当所有阵元按相同节奏发出信号时理想情况下这些信号会在天线正前方配合得最好 — 主波束指向正前方。想让波束偏向左边控制系统就会让不同阵元的信号产生一点先后差这边稍微早一点那边稍微晚一点。调整完之后各路信号不再在正前方配合得最好而是在左前方叠加得更强 — 主波束就指向了左边。换一套参数它又能指向右边或者其他方向。系统连续调整这些参数我们看到的就是波束在扫描。不过真实设备控制的也不只是相位。有时候还要调整每个通道的延迟和信号强弱相位和延迟主要决定波束朝哪儿信号强弱则影响波束的宽窄以及有多少能量漏到了其他方向。这就像一群人合唱不光要决定每个人什么时候开口还得控制谁声音大一点、谁声音小一点。节奏和音量都配合好最后声音才集中、清楚。四、为啥都在弄电子扫描首先机械扫描是靠电机带着整副天线转。天线越大越重改变方向就越费劲还要考虑速度、磨损、维护。一颗螺丝松了整台设备都得停。电子扫描不会这么玩。系统只要换一组控制参数就能立刻形成新的波束方向。上一秒还在观察左边的目标下一秒就能切到右边。条件允许的话一套相控阵甚至能同时形成多个波束盯不同方向。这就是它在雷达、卫星通信、移动通信里被越来越看重的根本原因方向切得快还能根据任务灵活安排波束服务哪个区域。具体到场景里更直观战斗机上的雷达要在毫秒级时间里在多个目标之间切换跟踪5G 基站里的毫米波阵列要同时服务十几个用户低轨卫星过顶时间就那么几分钟波束得在不同地面站之间赶场子。这些场景靠机械扫描根本玩不转只有电子扫描才追得上节奏。不过电子扫描也不是没代价。成百上千个阵元背后每一个都要配独立的射频通道、移相器、衰减器、控制电路整系统的成本、功耗、散热、校准复杂度都远高于传统机械雷达。所以工程上经常是 能用机械扫描就先用玩不转了再上相控阵而不是无脑堆相控阵。五、但相控阵也不是 想指哪就指哪讲到这里别太神化它。波束偏转角度太大时信号会变弱波束也可能变宽 — 这叫扫描损失。阵元之间如果有误差或者设备受温度变化、器件差异影响波束还可能出现偏差。所以真正做好一套相控阵不是把一堆小天线装在一起就完事。阵元之间能不能配合准确系统能不能及时发现并修正误差才是波束能不能指得准、切得快、工作稳定的关键。这也是我们在鲸鹏芯海做波束控制时最花精力的事情之一。我们要做的不只是给波束一个方向还要让不同通道尽量保持一致哪个通道该提前一点、哪个该延后一点、信号强弱怎么分配都得经过计算和校准。六、卫星通信里 波束跳变放到卫星通信里事情还会更复杂。卫星在动地面终端的位置各不相同每个地区的通信需求也随时在变。系统既要根据星历信息算卫星的位置也要考虑波束在什么时间指向哪个区域以及有限的功率和通信资源怎么分配。这时候会经常听到一个词波束跳变。简单说就是让波束按计划在多个区域之间快速切换。某个区域当前用户多、通信需求高就多分配一些时间和资源需求变化了再把资源调到其他区域。七、回到最开始的问题写了这么多回到开头那个问题波束扫描时到底是谁在动机械扫描时天线确实可能在转相控阵做电子扫描时天线通常没动已经发出去的信号也不会在空中拐弯。真正改变的是天线内部许多阵元发出信号的时间、节奏和强弱。它们换了一种配合方式电磁能量集中增强的方向就跟着变了。大家觉得这个比喻怎么样相控阵看起来很深奥拆开来看其实就是 “一群小天线协同工作”。不过我们为了解决相关难题付出了巨大努力。想要攻克、突破任何一个问题背后都离不开持续的付出与坚持。