芯耀
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一、波束赋形芯片简介
高通在2018年推出QTM052毫米波天线模组时（下图所示），直接给军工国防行业，还有所有关注5G发展的人敲了个警钟——原来民用5G技术已经强到这种程度了。
这个小模块里集成了：
- 64个双极化天线单元。
- 总射频输出功率50dBm。
- 一套5G NR收发芯片。
- 电源管理芯片。
- 完整的射频前端。
它支持的频段和带宽是：
- 24.25–27.5GHz。
- 26.5–29.5GHz。
- 27.5–28.35GHz。
- 37–40GHz。
带宽最大800MHz，还支持2×2 MIMO。
最关键的是：这64个天线全都能做波束赋形和波束扫描，这是军用和高端通信里非常核心的技术。而这么强的功能，全部塞在一个比手指还短的小盒子里。从那以后，其他公司也纷纷推出了自己的波束赋形芯片。这些技术要是放在十年前，大家想都不敢想。
波束成形其实早就不是新技术了，已经用了几十年，从最早的模拟方式慢慢发展成现在的数字方式，不过模拟波束成形现在依然用得很广。
它最早在20世纪初就出现了，那时候全是模拟系统。早期的模拟波束成形，主要靠手动/物理调整天线阵列，用移相器、衰减器来控制波束的方向和形状。波束成形技术长期以来都是军用雷达和电子战系统的核心技术。
最近这些年，波束成形芯片的技术大突破，让这些系统能力大幅提升：目标探测更准、抗干扰更强、使用也更灵活。
二战期间，因为雷达在军事上太重要了，波束成形技术也跟着飞速进步。工程师们搞出了更复杂的模拟波束成形方法，让雷达看得更准、指向性更强。二战结束后，模拟波束成形继续发展，还用到了射电天文、声呐、无线通信等很多领域。
1950~1960年代，相控阵天线出现，让模拟波束成形变得更快、更精准。
到了1970~1980年代，电子元器件越做越小、性能越来越强，研究人员开始研究数字波束成形。早期的数字波束成形受限于当时的算力，但已经打开了信号处理和波束控制的新思路。
1990年代，数字信号处理（DSP）技术爆发，更高级的数字波束成形算法也跟着出来了。这是一个重要转折点：从模拟转向数字。数字波束成形更灵活、适应性更强、性能也更好。
2000年代初，无线通信里大规模普及MIMO多天线技术，又狠狠推了数字波束成形一把。MIMO靠数字波束成形，大大提升了频谱效率和信道容量。5G的到来，直接把数字波束成形推到了无线通信的C位。大规模MIMO系统动辄几百根天线，高度依赖先进的数字波束成形，才能实现高速率、高效用频谱。
直到今天，数字波束成形还在继续升级，研究重点放在毫米波通信、认知无线电、自适应波束成形算法上。再加上机器学习和人工智能的融入，波束成形又打开了新大门，未来会变得更高效、更智能。
举个现实例子：世界上最先进的国防系统之一，就是雷神（RTX）公司研发的NGJ下一代干扰机（下图所示）。它是一套高端电子战系统，将来要替换掉EA-18G“咆哮者”电子战机上老式的ALQ-99战术干扰系统。
NGJ用上了超先进的波束成形技术，可以同时生成多束波束，对付多个目标，还能动态调整波束形状，实时应对不断变化的威胁环境。
二、波束成形芯片是怎么工作的？
先简单复习一下：波束成形，就是一种把无线电波定向发射、定向接收的技术。它通过调整每根天线的信号相位和幅度，让信号在目标方向变强，同时抑制不需要方向的干扰，如下图所示。
波束成形主要分三种：
模拟波束成形、数字波束成形、混合波束成形。
- 模拟波束成形
用模拟电路（移相器、可变增益放大器）去调整信号的相位和幅度，把电磁波“掰”到指定方向，形成一道定向波束。
- 数字波束成形
先把每根天线的信号都变成数字信号，再用数字信号处理（DSP）算出最合适的波束。相比模拟，它更灵活、更精准，但因为需要高速数字处理，更复杂、成本更高。
- 混合波束成形
就是模拟+数字一起用。模拟部分做粗调，数字部分做精调、自适应调整。
数字波束成形的一大优势：同一个天线阵列，可以同时生成多道独立波束。这让雷达、通信系统的“多任务能力”大幅提升。
现在的高端波束成形芯片里，已经集成了高速ADC和数字处理器，大部分波束成形计算直接在数字域完成。
下图是pSemi公司的PE188100，它是一款面向5G应用的8通道波束成形前端芯片。它内部有两条独立可控的射频链路，每条链路包含4个通道，既可以支持4个双极化天线，也可以支持8个单极化天线。
这种向数字化的转变，让系统更灵活、硬件更简单，也能跑更复杂的信号处理算法。
现在国防用的相控阵雷达，都会用高度集成的波束成形芯片，工作频率能到100GHz。
再加上先进封装（异构集成、2.5D/3D堆叠），能把波束成形+信号处理全都塞进一个很小的多功能雷达模块里。
下图是ED2公司的ED2‑0023 StingArray，它是一款相控阵系统级封装（SiP）。
它把4个通道在空间上进行功率合成，合成等效全向辐射功率EIRP达到+37dBm（也就是5W）。
工作频段：26.5–29.5GHz。
波束切换时间：20ns。
相位误差：1.4°。
每个通道都能灵活控制增益和相位，从而实现精细的波束扫描和增益补偿。
内部集成了瑞萨（Renesas）F5288波束成形芯片（下图所示），该芯片为8通道半双工收发芯片，采用SiGe BiCMOS工艺制造，支持双极化，专为n257频段的相控阵应用设计。
汽车行业也从波束成形芯片的进步中受益很大，尤其是在高级驾驶辅助系统（ADAS）里用到的车载雷达。现在的车载雷达波束成形芯片，工作频率在77GHz左右，能支持多路发射和接收通道。最近的技术发展重点是：提高分辨率和探测距离，同时降低功耗和成本。
一些最新芯片甚至能支持192个虚拟通道，可以做成高分辨率4D成像雷达，能精准检测、识别车辆周围的各种物体。
此外，软件无线电（SDR）也被用到波束成形系统里，让同一套硬件平台就能支持多种波形和工作模式。这种灵活性对快速应对不断变化的威胁和任务需求非常关键。现代电子战（EW）波束成形芯片支持极宽的带宽，从直流一直覆盖到毫米波频段。
这些芯片可以实现：
- 快速扫描和分析电磁频谱。
- 生成复杂的干扰波形。
- 在芯片内部集成直接数字频率合成（DDS），降低成本和物料清单。
波束成形芯片的小型化（上图所示），也催生出了新一代国防装备，比如：
- 用于5G系统的小型化相控阵雷达。
- 无人机（UAV）。
- 便携式电子战设备。
这些紧凑系统以前只有大型固定设备才能做到，现在大幅提升了机动部队的态势感知能力和电子攻击能力。
像下图所展示的这类波束成形芯片，也是卫星通信发射端里必不可少的关键器件。
下图是Qorvo公司的AWMF-0109是一款硅基四核集成电路，专为27～30GHz频段的卫星通信应用设计。它每通道增益22dB，每个天线单元、每个极化方向的输出功率为+12dBm。
展望未来，有几项新兴技术会进一步推动波束成形芯片的发展。其中一项就是光子器件与电子波束成形电路的集成。
相比传统电子系统，光子波束成形有望实现：
- 超宽带工作。
- 低损耗。
- 更小的体积和更轻的重量。
虽然还处于早期研发阶段，但光子‑电子集成的波束成形芯片，很可能彻底改变民用和国防领域的应用，尤其是在毫米波和太赫兹频段。
另一个很有前景的研究方向，是在波束成形芯片生产中使用先进材料和制造工艺。比如采用磷化铟（InP）这类III‑V族半导体材料，可以让波束成形芯片承受更高功率、效率更高。
此外，研究人员也在探索增材制造（3D打印），用来定制专用的波束成形天线和封装方案。
人工智能和机器学习，也将在波束成形技术中扮演越来越重要的角色。带AI增强的波束成形芯片，能让系统更自适应、更智能，可以根据环境和任务需求自动优化性能。在国防领域，这会催生出认知雷达和认知电子战系统，能够实时学习、适应新出现的威胁。
总结来说：
最近几年，在民用和国防需求的推动下，波束成形技术（特别是波束成形芯片）取得了巨大进步。这些发展让5G、车载雷达、电子战等多个领域的系统变得更小、更高效、能力更强。随着光子集成、先进材料、人工智能等方向的研究不断深入，未来几年，波束成形技术还会出现更多颠覆性创新。这些进步必将继续塑造无线通信、感知探测、电子战的未来，不断突破民用和军事领域的技术边界。
