各位射频圈的老朋友正在攻读电子电子相关专业的同学们以及所有对低轨卫星和相控阵技术好奇心旺盛的伙伴们大家好。我是鲸鹏芯海知玺。咱们的系列专栏《唠透低轨卫星相控阵芯片十件事》今天正式推进到第四篇。前面三篇我们分别聊了低轨卫星为什么非相控阵不可、TR 芯片在阵列里到底干哪些活、以及波束扫描究竟是天线在动还是信号在动。这一篇我们把镜头从 天线怎么指向推到信号怎么被算出来 — 专门回答一个听起来很反直觉的问题一颗相控阵凭什么能同时朝好几个、甚至上百个方向 发射波束 接下来的篇幅里我会尽量甩开公式和器件手册用最直白的大白话把数字波束形成DBF) 这件事从头到尾拆给你看。如果读完你能跟同事吹一句 多波束我搞明白了那这篇就没白写。放心我们不堆术语只把它为什么行背后的那点硬道理讲透。一、先别急着问怎么做到我们把同时多个波束嚼碎很多人第一次听到一颗星同时服务几十个地面终端时脑子里浮现的画面大概是天线像探照灯一样拼命左右扫扫到谁就服务谁。其实完全不是这么回事。所谓 波束你可以理解成天线把能量 捏 出来的一个信号方向 — 就像把手电筒的光拢成一束照哪儿亮哪儿。普通相控阵一次捏出一条这样的光柱而 DBF 厉害的地方在于它能在同一瞬间从同一面阵子上凭空 捏 出好几条、甚至几十条光柱而且每一条都各照各的互不打架。换句话说多波束不是 快速切换假装同时而是货真价实地在同一时刻、各自锁定不同方向。这一点之所以关键是因为低轨卫星在天上飞得飞快地面终端又散落得到处都是。如果只能一个一个轮流服务天窗口早就过去了。DBF 要解决的正是这个我全都要而且现在就要的难题。可以想象一个老师面对一教室学生模拟方案像是老师只能把头转向某一个同学说话转完一个再转下一个DBF 则像是给每个同学都接了独立的信道同一份内容能同时精准送到不同的人那里。差别不在声音大小而在 分身 的本事。二、老办法的天花板模拟波束形成一次到底能 看 几个方向在 DBF 登场之前相控阵主要靠模拟波束形成干活。它的路子很直白每个天线阵元收到的信号先经过一个模拟移相器调一下相位然后大家直接合到一起合成一个波束。要换方向调移相器的相位就行波束就跟着转。问题卡在哪典型的模拟相控阵一次只能 捏 出一个可以灵活指向的波束。你想换目标就得重新调配相位让那唯一的光柱转到新方向去。有人可能会杠不对啊不是有 Butler 矩阵、Rotman 透镜那些波束赋形网络吗它们确实能同时吐出好几个波束。没错但有个要命的前提 — 这些网络吐出来的多个波束是固定指向的。它们像一排预先凿好的管道光只能从这几个固定角度射出去你想让其中某一束单独拐个弯去追一个移动目标做不到。它们彼此之间无法独立、动态地重构。所以模拟方案的本质矛盾就一句话要么只有一个能随便转的波束要么有一堆转不了的固定波束。面对低轨卫星那种目标满天飞、方向随时变的场面这两种都不够用。三、DBF 的破局点把每个阵元的信号都请进数字世界DBF全称 Digital Beam Forming也就是数字波束形成常被看作相控阵技术里更高级的一支。它和模拟方案最根本的分叉发生在信号处理的起点。模拟方案在模拟域里就把信号合了DBF 不急它先让每个天线阵元收到的微弱信号挨个走完这样一条路先经过低噪声放大器LNA把信号放大又尽量不引入额外噪声再下变频把高频的射频信号搬到低频好处理最后数字化采样用 ADC 把连续的模拟信号变成一串串数字。走到这一步所有阵元的信号都变成了数字后面的一切波束运算全在数字域里完成。关键在于 数字域 这三个字。在数字世界里你可以对每一个通道的那串数据乘上一个权系数 — 这个系数不是单纯调相位而是同时带着幅度和相位两重信息。用信号处理的行话讲它本质上是一个复数实部虚部合在一起既管这条通道的信号放多大幅度也管你让它迟后还是超前相位。给不同的通道配上不同的权系数组合就相当于给整面阵列重新 捏 了一次光柱的方向和形状。而最妙的是你想同时捏好几条光柱那就准备好几套不同的权系数分别作用于同一批数字信号多条波束就一起出来了。这里头没有魔法。模拟方案之所以难做到是因为它在硬件连线上就把信号焊死成了单一合成而 DBF 把信号变成数字之后合成方式不再是物理连线而是一个可以随时重算的过程。今天想要八条波束明天想要一百条改的只是系数动的不是电路。四、为什么能同时答案藏在数字信号处理的并行性里到这里真正的核心问题才浮出水面凭什么 DBF 就能同时搞出这么多波束而模拟方案不行秘密就两个字 —并行。在数字域里同一批已经数字化、完全一样的阵元数据可以同时被好几组不同的 加权向量 拿去处理。每一组加权向量对应一个独立的波束指向。A 向量算出来指向东边B 向量算出来指向西边C 向量指向南边 — 它们是并排发生的不存在谁等谁。打个最生活化的比方同一份原始素材你同时丢进好几个不同的剪辑软件每个软件按自己的套路剪一版出来。素材只有一份但成品可以有很多个而且彼此独立、互不影响。DBF 里的多波束就是这个道理 — 同一份数字信号被多组加权算法同时消费各自产出一条独立波束。反观传统雷达那种模拟思路波束是 时间共享 的这一刻照东边下一刻才能照西边本质上还是在排队。这也解释了 DBF 最迷人的能力相控阵从此可以同时凝视多个目标、覆盖多个空域。放到卫星通信的语境里就意味着同一颗卫星能同时给多个地面终端提供服务而不是挨个排队轮着来。更直白地说模拟的多波束如果是 轮流值班DBF 的多波束就是 全员到岗。前者省了硬件却丢了实时后者多花了算力却换来了真正的并发。五、诚实地一句多波束也不是什么时候都非 DBF 不可讲到这儿得泼一小盆冷水也顺便把话讲周全。前面说模拟网络Butler 矩阵、Rotman 透镜出的多波束是固定的、没法独立重构 — 这确实是事实。但这不代表模拟方案一无是处。如果你的应用场景里波束方向本来就是固定的那几个根本不需要谁去追移动目标那用现成的模拟赋形网络直接出多波束成本低、结构也简单完全够用。DBF 真正的杀手锏是 动态、独立、可重构 这七个字波束数量能配、指向能改、彼此能独立。当你需要一颗星同时灵活服务一大片分散又移动的终端时模拟固定波束就歇菜了这时候 DBF 的价值才彻底释放。所以别被 高级形态 四个字带偏DBF 不是把所有模拟方案都淘汰了而是在需要灵活多波束的那一类硬骨头场景里它几乎是无可替代的。卫星通信恰恰就是这种硬骨头。六、我们在这一环到底做了什么讲完原理照例落到我们自己身上。鲸鹏芯海在 DBF 这条线上布局得相当实在。我们申请了一项名为 一种支持多波束可扩展的全数字相控阵收发系统 的专利。这套系统的波束处理单元支持 16/32/64/128/256 波束的动态配置— 注意是“动态”意思就是波束数量可以根据需要现场调配而背后的实现方式正是前面讲的 数字域加权合成让多个波束各自独立指向。光有数字处理还不够射频前端也得跟得上。我们还布局了 一种用于 128 波束相控阵的抗辐照 SiGe 射频前端芯片 专利。它采用 SiGe 工艺制备并结合 SiP 封装形式把小型化、高气密性、抗辐照以及高性能这几样特性压进了一颗芯片里 — 对于要上天的卫星载荷来说抗辐照和高气密几乎是硬门槛这颗芯片正是冲着这个去的。从数字域的波束处理到抗辐照的射频前端我们把这两头都捏在自己手里形成了一套从芯片到系统的完整 DBF 解决方案。也正因为这种全链路自己能兜住的能力鲸鹏芯海在卫星通信多波束这个赛道上站稳了技术高地。七、结尾回到我们开头那个问题DBF 为什么能同时形成这么多波束答案其实就藏在那三个字里 — 数字域。模拟相控阵用一副物理的转向机构绞尽脑汁去追一个方向DBF 则把每个阵元的信号都录进数字世界用一组组系数让同一面阵列在同一瞬间朝成百上千个方向同时 微笑。多波束的本质从来不是天线变多了而是信号处理终于进了数字的世界。这大概就是低轨卫星时代相控阵该有的样子。