卫星通信、雷达的核心密码：TR 芯片到底在干什么？

哈喽各位射频、卫星通信与半导体芯片行业伙伴电子专业的同学们以及所有看好低轨卫星赛道、准备入局的爱好者大家好。我是鲸鹏芯海謓泽。《唠透低轨卫星相控阵芯片十件事》第三篇如期上线上一篇探讨的是同样属于卫星通信为什么低轨卫星必须搭载相控阵本篇依旧避开晦涩繁杂的公式与理论用通俗易懂的语言拆解行业核心知识帮助大家扫清认知盲区理清卫星通信、雷达背后的关键逻辑。进入正题前鲸鹏先提出一个问题方便大家后续更好地理解。手机为什么能够和几百公里之外的卫星通话雷达又是如何实现 指哪打哪、瞬间切换扫描方向甚至无需转动电机相信大家看完鲸鹏分享的这篇文章就能找到答案。一、先搞清楚相控阵天线是个啥?想要了解 TR 芯片首先要清楚它的应用载体 —相控阵天线。传统雷达想要转换扫描方向需要依靠电机转动天线速度慢、灵活性差还容易发生故障。那么在本篇文章中鲸鹏提到的相控阵雷达采用了不同的方式它将成百上千个小型天线有序排列通过电子控制调整波束指向全程不需要机械部件运转。打个比方传统天线就好比人拿着手电筒四处照射想要照向其他方向就得转身。相控阵则如同一面墙上安装了数百个灯泡每个灯泡的亮度与开关都能独立调节通过组合调控就能朝任意方向射出一束光柱。TR 芯片便是控制这些灯泡的核心器件之一。二、TR 芯片到底是什么TR Transmit / Receive中文叫 收发芯片。在相控阵里每个或每几个天线单元背后基本都挂着一颗TR 芯片。它听波束控制系统的指挥决定这条通道什么时候发、什么时候收、信号多大、相位多少。当然相控阵不是 TR 芯片的 独角戏。还有天线、频率源、控制、校准、散热、信号处理……每个环节都不能拉胯。但 TR 芯片站在射频收发的最前线是连接 大脑 和 天线 的关键桥梁。三、TR 芯片就干四件事1. 信号 放大 — 放大器的看家本领大家应该都清楚无线信号在空中传播时会持续衰减。卫星通信的传输距离动辄数百乃至上千公里信号衰减程度十分严重。发射端需要足够的功率向外发送信号接收端则要捕捉极其微弱的回波信号这就是我们常说的信号放大。它与模拟电路中的放大原理有着异曲同工之处。TR 芯片里有两员大将功率放大器PA发射时把信号 嗓门 放大让远方也能收到。它的输出功率和效率直接关系到通信距离、功耗和散热。低噪声放大器LNA接收时放大天线收到的微弱信号同时尽量不引入额外噪声。说白了就是 既要听得见又要听得清。所以发射端看功率和效率接收端看增益和噪声系数两边指标完全不一样。2. 控制 相位 — 相控阵的看家本领相位控制是相控阵能 电子扫描 的根本原因。很多根天线同时向外发射电磁波。我们给每一路天线信号调好对应的相位差这些电磁波会朝着目标方向叠加汇聚、信号变强其他方向上电波互相抵消、信号变弱最终形成一束定向的电磁波。只要改动各路信号的相位差就能让这束电波转向天线本身不用转动。3. 调节 幅度 — 给波束整形光有方向还不够的波束的 形状 也得调。TR 芯片里的可变增益放大器或衰减器能调节每个通道的信号强弱。给各通道加上合适的幅度加权就能改善波束形状、压低旁瓣。旁瓣是主波束之外的 杂散辐射太高会浪费能量、干扰别人。不过压低旁瓣通常会让主瓣变宽、增益下降 — 所以这是个权衡题不是越低越好。4. 收发 切换 — 切换工作模式很多 TR 芯片还集成了收发开关和控制接口负责切换 发射、接收 状态并配置各通道的相位、增益、衰减量。注意不同芯片的集成度差异很大。有的芯片将 PA、LNA、移相器、衰减器、开关全部集成在单颗芯片内有的仅集成移相模块与控制电路PA 和 LNA 需要外接。因此评估芯片性能不能只看 TR 芯片 这一名称关键要看它实际集成了哪些器件。四、TR 芯片影响哪些性能相控阵动辄几百上千个天线单元通道越多TR 芯片的性能和一致性就越关键。TR 芯片的输出功率、效率、噪声系数、线性度、幅相精度、切换速度、功耗、可靠性。每一个都直接影响整机的发射能力、接收灵敏度、波束指向精度、旁瓣水平和散热。但有一点要说清楚相控阵的扫描速度和多波束能力不是 TR 芯片一个人决定的还跟阵列规模、波束架构、控制接口、校准、基带处理都有关。这些内容涉及较多专业术语感兴趣的朋友可以自行了解。另外卫星通信常用 Ku、Ka、Q/V 这些频段不同频段需要针对性设计芯片、天线、封装 —不存在 一颗芯片通吃所有频段 这种事。五、128 阵元 / 128 通道 / 128 波束别再混为一谈鲸鹏在这里分享一个容易被忽略的细节知识点。这三个词语看似相近实则代表三个不同概念。大家浏览产品资料时切勿将它们直接等同很多初学者都会在这里出错。拥有 128 个阵元或 128 个通道不代表能够同时形成 128 个波束。多波束能力还取决于波束形成架构模拟、数字、混合架构以及后端处理能力。我们在查阅产品资料与专利时这三组数值不能直接等同替换需要回到原文核实具体所指。六、鲸鹏芯海在做什么我们鲸鹏芯海的技术布局面向星载相控阵重点是 SiGe硅锗射频前端及相关控制驱动芯片瞄准高集成度、低功耗、抗辐射这三个星载场景的硬需求。SiGe 是高频高速集成电路的主流路线之一。星载射频前端除了看频率、增益、功耗还得考虑辐射环境、温度变化下的稳定性 —上天的东西坏一次就没了。我们鲸鹏的相关专利体现出 把更多射频前端功能集成进单芯片 的思路相比堆分立器件高集成度能减少器件数量、缩短射频互连、缩小前端体积对星载设备的小型化、轻量化、高可靠性是有帮助的。七、结语TR 芯片是有源相控阵射频前端的 执行单元发射时把信号放大喊出去接收时把微弱信号听清楚同时靠相位和幅度控制帮阵列 指哪打哪还要完成收发切换。随着卫星通信、商业航天、雷达、低空经济的发展相控阵往更高频、更多通道、更高集成度、更低功耗演进TR 芯片的设计水平会越来越影响整机性能、体积、功耗和可靠性。但记住一句话TR 芯片是核心但不是全部。真正高性能的相控阵是芯片、天线、封装、散热、控制、校准、信号处理这么多环节一起配合出来的 — 单点英雄主义在这里行不通。