了解毫米波“移相”--之三

了解毫米波“移相”--之三

“移相”的實(shí)現

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

顧名思義，移相器就是實(shí)現信號相位變化的電路，通過(guò)信號延遲、信號疊加等方式，使輸入信號產(chǎn)生相移，從而改變輸入信號的相位。

一般在電路實(shí)現上，分為無(wú)源移相和有源移相兩種。兩種移相方式常見(jiàn)的電路結構與特點(diǎn)如下。


表：不同移相器的架構及特點(diǎn)

相控陣系統的分類(lèi)

在相控陣系統分類(lèi)中，主要分為無(wú)源相控陣和有源相控陣兩種。


圖：無(wú)源相控陣系統，及有源相控陣系統架構

兩種系統都可以實(shí)現定向收發(fā)的天線(xiàn)陣，在實(shí)現上，無(wú)源相控陣系統的陣列由無(wú)源天線(xiàn)+移相器部分實(shí)現，信號的接收和****均由中央接收機和****機來(lái)實(shí)現。在有源相控陣雷達中，每個(gè)輻射器均配置有獨立的有源接收/****組件。

有源相控陣系統中，由于功率源前置至天線(xiàn)陣元，雷達系統更為穩定。并且因為每個(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)通道可以獨立工作，還可以對有源相控陣系統的單元組件進(jìn)行分組，實(shí)現多目標同時(shí)跟蹤等特性。

雖然無(wú)源相控系統只有一個(gè)****接收組件，實(shí)現相對簡(jiǎn)單，成本也相對更低，但有源相控陣系統應用靈活、可靠性高，在雷達、無(wú)線(xiàn)通信中的應用更為廣泛。

有源相控陣系統架構

相控陣系統實(shí)現中，最主要的功能就是實(shí)現移相。根據移相器在系統中所處的位置，有源相控陣系統可以分為如下三種架構 。分別為：

射頻移相架構

本振移相架構

數字移相架構

三種架構的實(shí)現方式和優(yōu)缺點(diǎn)對比如下。


表：有源相控陣的系統架構

在以上架構中，射頻移相架構是當前應用較為廣泛的實(shí)現架構。

毫米波+相控陣：優(yōu)劣互補，相得益彰

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

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)現定向****，增大傳輸距離。

相控陣系統優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現信號的定向****，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)現大規模陣列。

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

毫米波相控陣系統應用

5G手機

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

在2020年10月份，蘋(píng)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，在手機頂部及側面分別部署4天線(xiàn)毫米波陣列，實(shí)現毫米波信號的收發(fā)功能 。

根據蘋(píng)果公司提供的數據顯示，搭載毫米波技術(shù)的iPhone 12，最高可實(shí)現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（美版）

車(chē)載毫米波雷達

車(chē)載毫米波雷達的工作原理是向被探測物體****毫米波電磁波信號，并接收從目標反射回來(lái)的反射波，通過(guò)計算****和接收信號的時(shí)間差，就可以對被測物體進(jìn)行探測。


圖：典型車(chē)載雷達工作原理 

在實(shí)現方式上，車(chē)載毫米波雷達也需要借助毫米波相控陣技術(shù)，利用多天線(xiàn)陣列的方向，實(shí)現毫米波信號的精準賦形，實(shí)現對物體的精準探測。

下圖為24GHz車(chē)載毫米波雷達的實(shí)現方案之一，在接收通路中，采用了4通道相控陣列的方式進(jìn)行設計 。


圖：24GHz車(chē)載毫米波相控陣雷達系統

衛星通信

衛星通信是現在無(wú)線(xiàn)通信研究的一大熱點(diǎn)，尤其是低軌衛星領(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盲使用。

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

另外，衛星的快速運轉也給地空連接提出挑戰。低軌衛星繞地球一圈的時(shí)間大約只有100分鐘左右。如果以60度的可視角度計算，每一顆衛星在視角范圍內的時(shí)間只有17分鐘。并且衛星還在以每小時(shí)3萬(wàn)公里的速度快速飛行。這就需要地面站必須要有信號波束的快速掃描特性。

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


圖：星鏈系統所使用的地面站以及低軌衛星系統

星鏈系統將其地面站稱(chēng)為Starlink Dish（星鏈盤(pán)），其直徑為58.9厘米，外觀(guān)類(lèi)似于一個(gè)圓盤(pán)。在圓盤(pán)中，密集排列著(zhù)1,280個(gè)天線(xiàn)陣列單元。通過(guò)下層連接的移相控制以及射頻收發(fā)電路，實(shí)現高指向和快速掃描的毫米波相控陣系統，完成以550公里以外，3萬(wàn)公里/小時(shí)快速移動(dòng)的衛星連接。


圖：星鏈系統地面收發(fā)裝置構成

總 結

自19世紀末電磁波被發(fā)現以來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)迅速發(fā)展。經(jīng)過(guò)100多年的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)已經(jīng)不再是單純的“收”、“發(fā)”這么簡(jiǎn)單，而是借助于不同頻率、不同信號，甚至不同的天線(xiàn)技術(shù)完成強大的無(wú)線(xiàn)通信功能。

毫米波相控陣系統是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展中有代表性的技術(shù)突破，通過(guò)對大規模天線(xiàn)陣中輸入信號的相位控制，實(shí)現了大帶寬毫米波信號的定向傳輸，解決了毫米波信號路徑損耗大的難題。

在2020年之前，對于毫米波相控陣系統的研究主要集中于軍用、學(xué)術(shù)領(lǐng)域。在2020年之后，隨著(zhù)民用5G通信、智能汽車(chē)用毫米波雷達、民用衛星通信的發(fā)展，毫米波相控陣系統開(kāi)始在民用領(lǐng)域逐漸普及。