了解毫米波“移相”--之三

了解毫米波“移相”--之三

“移相”的實現

由于各信號的“相位”與信號的****方向、疊加強度直接相關，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現。

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

一般在電路實現上，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構與特點如下。


表：不同移相器的架構及特點

相控陣系統的分類

在相控陣系統分類中，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，及有源相控陣系統架構

兩種系統都可以實現定向收發的天線陣，在實現上，無源相控陣系統的陣列由無源天線+移相器部分實現，信號的接收和****均由中央接收機和****機來實現。在有源相控陣雷達中，每個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陣元，雷達系統更為穩定。并且因為每個通道上均有T/R組件，即使有少量的T/R組件損壞，整體性能也不會受到明顯影響。由于每個通道可以獨立工作，還可以對有源相控陣系統的單元組件進行分組，實現多目標同時跟蹤等特性。

雖然無源相控系統只有一個****接收組件，實現相對簡單，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、無線通信中的應用更為廣泛。

有源相控陣系統架構

相控陣系統實現中，最主要的功能就是實現移相。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

三種架構的實現方式和優缺點對比如下。


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現架構。

毫米波+相控陣：優劣互補，相得益彰

以上分別討論了毫米波、相控陣兩大技術。雖然二者是獨立的兩大技術，但在使用中，經常將二者結合使用，兩種技術相得益彰，實現優勢互補：

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

相控陣系統優點是可實現信號的定向****，但由于需要幾十甚至成百上千個陣列，造成電路面積增大。而毫米波電路面積小這個優勢，剛好可以用于實現大規模陣列。

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

毫米波相控陣技術離我們并不遙遠，不少5G手機中已經裝備了此項技術。

在2020年10月份，蘋果公司發布的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天線毫米波陣列，實現毫米波信號的收發功能 。

根據蘋果公司提供的數據顯示，搭載毫米波技術的iPhone 12，最高可實現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）

車載毫米波雷達

車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的反射波，通過計算****和接收信號的時間差，就可以對被測物體進行探測。


圖：典型車載雷達工作原理 

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

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


圖：24GHz車載毫米波相控陣雷達系統

衛星通信

衛星通信是現在無線通信研究的一大熱點，尤其是低軌衛星領域，由于其低延時、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點，但實現起來并不容易。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間只有17分鐘。并且衛星還在以每小時3萬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為Starlink Dish（星鏈盤），其直徑為58.9厘米，外觀類似于一個圓盤。在圓盤中，密集排列著1,280個天線陣列單元。通過下層連接的移相控制以及射頻收發電路，實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，3萬公里/小時快速移動的衛星連接。


圖：星鏈系統地面收發裝置構成

總 結

自19世紀末電磁波被發現以來，無線通信技術迅速發展。經過100多年的發展，無線通信技術已經不再是單純的“收”、“發”這么簡單，而是借助于不同頻率、不同信號，甚至不同的天線技術完成強大的無線通信功能。

毫米波相控陣系統是無線通信技術發展中有代表性的技術突破，通過對大規模天線陣中輸入信號的相位控制，實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、學術領域。在2020年之后，隨著民用5G通信、智能汽車用毫米波雷達、民用衛星通信的發展，毫米波相控陣系統開始在民用領域逐漸普及。