了解毫米波“移相”--之三

“移相”的實(shí)現(xiàn)

由于各信號(hào)的“相位”與信號(hào)的****方向、疊加強(qiáng)度直接相關(guān)，所以“移相”功能是相控陣系統(tǒng)中非常重要的功能模塊。在現(xiàn)代相控陣系統(tǒng)中，移相功能通常由移相器電路實(shí)現(xiàn)。

顧名思義，移相器就是實(shí)現(xiàn)信號(hào)相位變化的電路，通過信號(hào)延遲、信號(hào)疊加等方式，使輸入信號(hào)產(chǎn)生相移，從而改變輸入信號(hào)的相位。

一般在電路實(shí)現(xiàn)上，分為無源移相和有源移相兩種。兩種移相方式常見的電路結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)如下。


表：不同移相器的架構(gòu)及特點(diǎn)

相控陣系統(tǒng)的分類

在相控陣系統(tǒng)分類中，主要分為無源相控陣和有源相控陣兩種。


圖：無源相控陣系統(tǒng)，及有源相控陣系統(tǒng)架構(gòu)

兩種系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)定向收發(fā)的天線陣，在實(shí)現(xiàn)上，無源相控陣系統(tǒng)的陣列由無源天線+移相器部分實(shí)現(xiàn)，信號(hào)的接收和****均由中央接收機(jī)和****機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在有源相控陣?yán)走_(dá)中，每個(gè)輻射器均配置有獨(dú)立的有源接收/****組件。

有源相控陣系統(tǒng)中，由于功率源前置至天線陣元，雷達(dá)系統(tǒng)更為穩(wěn)定。并且因?yàn)槊總€(gè)通道上均有T/R組件，即使有少量的T/R組件損壞，整體性能也不會(huì)受到明顯影響。由于每個(gè)通道可以獨(dú)立工作，還可以對(duì)有源相控陣系統(tǒng)的單元組件進(jìn)行分組，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同時(shí)跟蹤等特性。

雖然無源相控系統(tǒng)只有一個(gè)****接收組件，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單，成本也相對(duì)更低，但有源相控陣系統(tǒng)應(yīng)用靈活、可靠性高，在雷達(dá)、無線通信中的應(yīng)用更為廣泛。

有源相控陣系統(tǒng)架構(gòu)

相控陣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，最主要的功能就是實(shí)現(xiàn)移相。根據(jù)移相器在系統(tǒng)中所處的位置，有源相控陣系統(tǒng)可以分為如下三種架構(gòu) 。分別為：

射頻移相架構(gòu)

本振移相架構(gòu)

數(shù)字移相架構(gòu)

三種架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式和優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下。


表：有源相控陣的系統(tǒng)架構(gòu)

在以上架構(gòu)中，射頻移相架構(gòu)是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。

毫米波+相控陣：優(yōu)劣互補(bǔ)，相得益彰

以上分別討論了毫米波、相控陣兩大技術(shù)。雖然二者是獨(dú)立的兩大技術(shù)，但在使用中，經(jīng)常將二者結(jié)合使用，兩種技術(shù)相得益彰，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)：

毫米波技術(shù)的特點(diǎn)是帶寬大，但其路徑損耗大、傳播距離短，利用相控陣技術(shù)的波束聚焦功能，剛好可以將毫米波實(shí)現(xiàn)定向****，增大傳輸距離。

相控陣系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的定向****，但由于需要幾十甚至成百上千個(gè)陣列，造成電路面積增大。而毫米波電路面積小這個(gè)優(yōu)勢，剛好可以用于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列。

于是，“毫米波相控陣”這一組合相輔相成，在一些特定應(yīng)用領(lǐng)域所向披靡。

毫米波相控陣系統(tǒng)應(yīng)用

5G手機(jī)

毫米波相控陣技術(shù)離我們并不遙遠(yuǎn)，不少5G手機(jī)中已經(jīng)裝備了此項(xiàng)技術(shù)。

在2020年10月份，蘋果公司發(fā)布的iPhone 12中，北美版本中就加入了毫米波支持。iPhone 12采用高通的毫米波方案，在手機(jī)頂部及側(cè)面分別部署4天線毫米波陣列，實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)的收發(fā)功能 。

根據(jù)蘋果公司提供的數(shù)據(jù)顯示，搭載毫米波技術(shù)的iPhone 12，最高可實(shí)現(xiàn)4Gbps的峰值下行速率。


圖：搭載高通毫米波相控陣方案的iPhone 12手機(jī)（美版）

車載毫米波雷達(dá)

車載毫米波雷達(dá)的工作原理是向被探測物體****毫米波電磁波信號(hào)，并接收從目標(biāo)反射回來的反射波，通過計(jì)算****和接收信號(hào)的時(shí)間差，就可以對(duì)被測物體進(jìn)行探測。


圖：典型車載雷達(dá)工作原理 

在實(shí)現(xiàn)方式上，車載毫米波雷達(dá)也需要借助毫米波相控陣技術(shù)，利用多天線陣列的方向，實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)的精準(zhǔn)賦形，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的精準(zhǔn)探測。

下圖為24GHz車載毫米波雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方案之一，在接收通路中，采用了4通道相控陣列的方式進(jìn)行設(shè)計(jì) 。


圖：24GHz車載毫米波相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)

衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信是現(xiàn)在無線通信研究的一大熱點(diǎn)，尤其是低軌衛(wèi)星領(lǐng)域，由于其低延時(shí)、大帶寬的特性，可以作為蜂窩通信很好的補(bǔ)盲使用。

雖然衛(wèi)星通信有不受地理位置限制的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)起來并不容易。即使對(duì)于低軌衛(wèi)星，其距離地球的距離也在1,000公里量級(jí)，基本相當(dāng)于北京到上海的距離。而普通的地面蜂窩****的傳輸距離只有數(shù)公里。想要在地面到衛(wèi)星這種距離范圍內(nèi)直接建立信號(hào)連接并不容易，需要有高的****功率，或者采用定向性強(qiáng)的****系統(tǒng)。

另外，衛(wèi)星的快速運(yùn)轉(zhuǎn)也給地空連接提出挑戰(zhàn)。低軌衛(wèi)星繞地球一圈的時(shí)間大約只有100分鐘左右。如果以60度的可視角度計(jì)算，每一顆衛(wèi)星在視角范圍內(nèi)的時(shí)間只有17分鐘。并且衛(wèi)星還在以每小時(shí)3萬公里的速度快速飛行。這就需要地面站必須要有信號(hào)波束的快速掃描特性。

毫米波相控陣系統(tǒng)的波束定向性，以及電子相位控制的快速掃描特性剛好可以在衛(wèi)星通信中一顯身手。在SpaceX公司星鏈系統(tǒng)中，就使用了工作于毫米波的相控陣系統(tǒng)。


圖：星鏈系統(tǒng)所使用的地面站以及低軌衛(wèi)星系統(tǒng)

星鏈系統(tǒng)將其地面站稱為Starlink Dish（星鏈盤），其直徑為58.9厘米，外觀類似于一個(gè)圓盤。在圓盤中，密集排列著1,280個(gè)天線陣列單元。通過下層連接的移相控制以及射頻收發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)高指向和快速掃描的毫米波相控陣系統(tǒng)，完成以550公里以外，3萬公里/小時(shí)快速移動(dòng)的衛(wèi)星連接。


圖：星鏈系統(tǒng)地面收發(fā)裝置構(gòu)成

總 結(jié)

自19世紀(jì)末電磁波被發(fā)現(xiàn)以來，無線通信技術(shù)迅速發(fā)展。經(jīng)過100多年的發(fā)展，無線通信技術(shù)已經(jīng)不再是單純的“收”、“發(fā)”這么簡單，而是借助于不同頻率、不同信號(hào)，甚至不同的天線技術(shù)完成強(qiáng)大的無線通信功能。

毫米波相控陣系統(tǒng)是無線通信技術(shù)發(fā)展中有代表性的技術(shù)突破，通過對(duì)大規(guī)模天線陣中輸入信號(hào)的相位控制，實(shí)現(xiàn)了大帶寬毫米波信號(hào)的定向傳輸，解決了毫米波信號(hào)路徑損耗大的難題。

在2020年之前，對(duì)于毫米波相控陣系統(tǒng)的研究主要集中于軍用、學(xué)術(shù)領(lǐng)域。在2020年之后，隨著民用5G通信、智能汽車用毫米波雷達(dá)、民用衛(wèi)星通信的發(fā)展，毫米波相控陣系統(tǒng)開始在民用領(lǐng)域逐漸普及。