一文詳解毫米波相控陣

2023年伊始，我們做了2023年大家最想了解的射頻技術話題征集（2023年，射頻人關注這些技術問題），出乎意料的是，毫米波相關技術獲得了21個關注話題，排在最受關注話題的第四位?？此聘吒咴谏系暮撩撞夹g，已經成為射頻人重點關注的方向。 毫米波技術在軍用、雷達等領域已經有多年的應用。在民用領域，也隨著最近的5G移動通信、民用衛(wèi)星通信，以及車載毫米波雷達等應用的普及，逐漸走進了大眾的視野。 我國工信部近日在2023年1月發(fā)文，將21.2-23.6GHz和71-76GHz/81-86GHz的毫米波頻段，列為我國可用于無線通信的頻段[1]。根據統(tǒng)計顯示，5G毫米波手機2023年出貨將突破1億部，并且在2025年有望實現(xiàn)第二波的快速增長 [2]。

圖：5G毫米波手機年出貨量

除手機外，其他領域的毫米波應用數量也在快速提升。下圖分別為車載毫米波雷達市場數據，以及全球衛(wèi)星發(fā)射數量 [3][4]?？梢钥吹蕉咴诮鼛啄甓荚诳焖僭鲩L。

圖：（a）車載毫米波雷達市場，（b）全球衛(wèi)星發(fā)射數量數據

本文就嘗試對毫米波系統(tǒng)中最常用的系統(tǒng)結構：毫米波相控陣結構（Millimeter-wavePhased-Array），做一個討論。探討略顯神秘的毫米波系統(tǒng)。

什么是毫米波？

無線通信是基于電磁波所進行的通信技術。為了使不同的通信設備傳輸互不干擾，國際電信聯(lián)盟等無線電管理機構對無線頻譜的使用做了劃分，將不同頻率的頻譜資源，定義到不同的應用中。 毫米波一般是指電磁波頻率近似在30GHz到300GHz頻段范圍內的電磁波，由于此頻段電磁波在真空中的波長大約在10mm~1mm之間，波長處于“毫米”量級，所以這個頻段的電磁波被稱為毫米波。

圖：毫米波在電磁波頻譜中所處位置

受益于半導體集成電路工藝、通信設備技術的突破，人類對電磁波頻譜資源的征服是不斷向上延伸的。比如在民用通信領域：

在20世紀初年代，主要的無線通信制式是電視和電臺廣播，所使用的是頻率范圍在100MHz左右的射頻頻率；

進入20世紀80年代，人類開始使用約在1GHz~3GHz范圍的微波頻段，實現(xiàn)手機移動通信；

2020年，5G移動通信除了定義6GHz以下頻段外，還將頻率擴展至24GHz~40GHz的毫米波頻段。

毫米波通信的特點

特點一：大帶寬

人類將應用頻譜不斷向上擴展的源動力，是尋找更豐富的頻譜資源，以滿足更高通信速率的需求。

無線通信進入毫米波也不例外。相比于6GHz以下通信頻段，30GHz~300GHz的毫米波有著近50倍的頻譜資源。這就相當于在擁擠的車道旁邊，又開辟了一個幾十車道的高速公路，大大提升了通信速度。所以毫米波通信的第一個特點就是：大帶寬。

大帶寬可以完成更高的通信速率。根據Ookla SPEEDTEST提供的通信速率顯示[5]，相比于4GLTE，5G Sub-6GHz網絡可提供5倍的速率提升，而5G毫米波網絡，可實現(xiàn)20倍速率的明顯提升。

圖：4G、5G Sub-6G以及5G毫米波下載速率對比

特點二：高分辨率

電磁波還可以用來作為雷達探測使用，通過發(fā)出電磁波信號，并且監(jiān)測電磁波遇到物體之后的反射情況，就可以檢測出物體的尺寸、距離等信息。這就是雷達探測的原理。

作為雷達探測使用時，由于電磁波的衍射效應，電磁波對探測物體的分辨率和電磁波的波長呈正比：波長越短的電磁波，越能分辨出更精細的物體。于是，毫米波就被應用到雷達檢測中來。

相比于1GHz左右，波長在0.3米左右的射頻電磁波來說，位于30GHz以上的毫米波分辨率更高。車載毫米波雷達是毫米波在雷達領域的典型應用，車載毫米波雷達一般采用24GHz、77GHz以及79GHz頻段，實現(xiàn)最高厘米級的高精度探測。

圖：毫米波雷達在智能汽車中的應用 [6]

特點三：損耗大，易受干擾

毫米波通信也有缺點，就是路徑損耗大，易收到干擾。

根據Friis信號傳輸公式，在傳輸距離一定時，電磁波的損耗與波長尺寸呈正比：波長越短的電磁波，路徑損耗越大。

路徑損耗過大就使得毫米波通信無法傳輸足夠遠的距離。例如，對于1GHz移動通信，通信基站的覆蓋范圍可達到數公里范圍。而對于毫米波，覆蓋范圍就快速縮小至數百米。這就對基站的部署提出了更高的要求。

除了路徑損耗外，毫米波還容易受到物體遮擋的干擾。毫米波由于波長短，厘米尺寸的物體就會對信號形成遮擋和反射，這個特點在雷達檢測中是優(yōu)點，但在移動通信中卻是致命缺點。造成毫米波只能用做“視距傳輸”，而無法進行繞射傳輸。

圖：毫米波傳輸，容易受到物體干擾

特點四：電路尺寸小

在射頻微波電路的實現(xiàn)中，所用到的元器件值通常與電路工作的波長呈正比、頻率呈反比。于是，工作在更高頻率的毫米波電路通常可以做到更小的尺寸，這在一定程度上降低了電路成本，同時也為后續(xù)的相控陣技術提供了基礎。

文獻[7]中展示了工作于24GHz的4通道毫米波相控陣完整發(fā)射機系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包含本振、上變頻器、功率放大器等各個模塊，并且包含4個通道數。如此復雜的通信系統(tǒng)在2.1mm x 6.8 mm的芯片下即可實現(xiàn)，只有一粒大米大小。

圖：4通道24GHz毫米波系統(tǒng)

什么是相控陣？

相控陣（Phased Array）技術是控制陣列天線各單元的相位、幅度，來形成對信號空間波束控制的技術。

相控陣技術起源于20世紀初發(fā)明的相控陣天線技術，并最早在軍用雷達技術中得到了廣泛應用和迅速發(fā)展。進入21世紀后，隨著民用電磁波頻率的不斷提高，相控陣技術在民用技術中也開始嶄露頭角。

在相控陣技術中，有兩個重要的技術概念，分別是“相控”和“陣”。以下分別就這兩個概念進行討論。

“陣”的引入：實現(xiàn)定向收發(fā)

在天線“陣”被發(fā)明之前，電磁波的輻射通常被認為是向外接近全向輻射的：發(fā)射信號能量以接近球面的方式向外擴散。根據能量守恒，發(fā)射距離越遠，球面半徑越大，單位面積得到的能量越小。當能量小到一定程度，接收機將無法接收到有用信號。這就是空間傳輸中“路徑損耗”的主要來源之一。

當然可以用增大接收面積來接收更多的能量，很多球面天線就是采用這樣的原理，但這樣做的結果是球面面積大，并且球面始終需要對準發(fā)射源，不適用于發(fā)射、接收快速運用的場景。

圖：（a）全向輻射的電磁波，（b）增大天線面積來接收更多信號

于是，天線“陣”就被發(fā)明了出來。

天線陣是諾貝爾物理學獎獲得者，著名物理學家卡爾·費迪南德·布勞恩（KarlFerdinand Braun，1850年6月6日－1918年4月20日）于1905年所發(fā)明的。布勞恩是陰極射線管的發(fā)明者，同時也是無線通信技術的先驅者。1909年，因為在無線電報技術中的貢獻，布勞恩與馬可尼分享了當年的諾貝爾物理學獎。

在獲得諾貝爾獎時，布勞恩表示：“我心之所往的，就是將電磁波只向一個方向傳播” [8]。只向一個方向傳輸的電磁波可以避免無謂的損耗，并且單方向的傳輸能量更強，傳播距離也更遠。

圖：卡爾·費迪南德·布勞恩，1905年天線陣系統(tǒng)發(fā)明者

布勞恩設計的天線陣系統(tǒng)包含3根垂直單極天線，分別放置于等邊三角形的三個頂點處，兩兩相距1/4波長。通過控制輸入信號的相位，就可以實現(xiàn)三根天線發(fā)出的信號在三個方向上的疊加情況，從而實現(xiàn)天線向三個方向的分別定向發(fā)射。

圖：1905年布勞恩發(fā)布的天線陣系統(tǒng)，及其遠場輻射圖

天線陣技術被發(fā)明后，受到了軍方極大的關注。其定向發(fā)射接收、不需要物理轉向調節(jié)、傳播距離遠等特性非常適用于軍用雷達領域。于是在1920年左右，美國、德國等國家開始研究將天線陣應用于軍事雷達中。在1941年，美方將天線陣雷達SCR-270系統(tǒng)部署于珍珠港[9]，該系統(tǒng)包含由32根天線構成的天線陣列。雖然這個雷達系統(tǒng)并沒有阻止住日本的攻擊，但天線陣雷達的可行性得到了完整驗證。在現(xiàn)代軍用系統(tǒng)中，相控陣系統(tǒng)已經得到的廣泛應用。

圖：（a）美軍1941年在珍珠港部署的SCR-270天線陣雷達系統(tǒng)
（b） 俄羅斯米格-35戰(zhàn)斗機裝備的甲蟲-AE相控陣雷達系統(tǒng)

“相控”技術：控制瞄準方向

天線陣的引入為電磁波的定向收發(fā)提供基礎，但實現(xiàn)方向的控制與掃描，還需要引入“相位控制”技術，也就是“相控”。

以接收信號時舉例，但天線陣系統(tǒng)進行信號接收時，由于進入各天線的信號經過的傳輸路徑不同，如果直接相加，并不能實現(xiàn)信號的完美加和。這個時候，就需要將各路信號進行移相對齊后，再疊加起來。這個移相對齊的過程，就稱為“相控”。通過控制不同通路間的相位關系，就可以接收不同位置發(fā)出來的電磁波信號。

圖：接收通路中的相位控制

在發(fā)射信號時也是一樣，通過對輸入信號的相位設計，可以控制輸出信號在哪個方向進行疊加。如此，如果需要變換發(fā)射角度時，只需要改變各信號的相位差。這樣就建立起信號發(fā)射角度與相位之間的聯(lián)系。

為簡單描述，以兩天線組織的陣列分析如下圖所示，當兩天線發(fā)出的信號之間相位無偏移時，兩天線發(fā)出的信號在中間對稱處疊加，而在其他位置抵消，信號集中于垂直方向發(fā)射；當兩天線信號有相位差時，以天線1的相位延遲大于天線2為例，天線2發(fā)出的信號超前于天線1，此時疊加方向向左傾斜。通過控制天線1與天線2之間的相位差，即對發(fā)射信號的波束方向進行控制。因為這種技術像是在對波束形狀進行賦形，所以也被稱為“波束賦形（Beam forming）”技術。

圖：通過兩天線間信號相位差，對發(fā)射波束形狀進行控制

“移相”的實現(xiàn)

由于各信號的“相位”與信號的發(fā)射方向、疊加強度直接相關，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現(xiàn)。

顧名思義，移相器就是實現(xiàn)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(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構與特點如下。

表：不同移相器的架構及特點

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

兩種系統(tǒng)都可以實現(xiàn)定向收發(fā)的天線陣，在實現(xiàn)上，無源相控陣系統(tǒng)的陣列由無源天線+移相器部分實現(xiàn)，信號的接收和發(fā)射均由中央接收機和發(fā)射機來實現(xiàn)。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/發(fā)射組件。

有源相控陣系統(tǒng)中，由于功率源前置至天線陣元，雷達系統(tǒng)更為穩(wěn)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(tǒng)的單元組件進行分組，實現(xiàn)多目標同時跟蹤等特性。

雖然無源相控系統(tǒng)只有一個發(fā)射接收組件，實現(xiàn)相對簡單，成本也相對更低，但有源相控陣系統(tǒng)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(tǒng)架構

相控陣系統(tǒng)實現(xiàn)中，最主要的功能就是實現(xiàn)移相。根據移相器在系統(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 [10]。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(xiàn)方式和優(yōu)缺點對比如下。

表：有源相控陣的系統(tǒng)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(xiàn)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。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(xiàn)優(yōu)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(xiàn)定向發(fā)射，增大傳輸距離。

相控陣系統(tǒng)優(yōu)點是可實現(xiàn)信號的定向發(fā)射，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(yōu)勢，剛好可以用于實現(xiàn)大規(guī)模陣列。

于是，“毫米波相控陣”這一組合相輔相成，在一些特定應用領域所向披靡。

毫米波相控陣系統(tǒng)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(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天線毫米波陣列，實現(xiàn)毫米波信號的收發(fā)功能 [11]。

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(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（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發(fā)射毫米波電磁波信號，并接收從目標反射回來的反射波，通過計算發(fā)射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 [12]

在實現(xiàn)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(xiàn)毫米波信號的精準賦形，實現(xiàn)對物體的精準探測。

下圖為24GHz車載毫米波雷達的實現(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行設計 [12]。

圖：24GHz車載毫米波相控陣雷達系統(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，尤其是低軌衛(wèi)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(wèi)星通信有不受地理位置限制的優(yōu)點，但實現(xiàn)起來并不容易。即使對于低軌衛(wèi)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。而普通的地面蜂窩基站的傳輸距離只有數公里。想要在地面到衛(wèi)星這種距離范圍內直接建立信號連接并不容易，需要有高的發(fā)射功率，或者采用定向性強的發(fā)射系統(tǒng)。

另外，衛(wèi)星的快速運轉也給地空連接提出挑戰(zhàn)。低軌衛(wèi)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(wèi)星在視角范圍內的時間只有17分鐘。并且衛(wèi)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(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)。

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，外觀類似于一個圓盤。在圓盤中，密集排列著1,280個天線陣列單元[13]。通過下層連接的移相控制以及射頻收發(fā)電路，實現(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/小時快速移動的衛(wèi)星連接。

圖：星鏈系統(tǒng)地面收發(fā)裝置構成

總 結

自19世紀末電磁波被發(fā)現(xiàn)以來，無線通信技術迅速發(fā)展。經過100多年的發(fā)展，無線通信技術已經不再是單純的“收”、“發(fā)”這么簡單，而是借助于不同頻率、不同信號，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(tǒng)是無線通信技術發(fā)展中有代表性的技術突破，通過對大規(guī)模天線陣中輸入信號的相位控制，實現(xiàn)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(tǒng)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(wèi)星通信的發(fā)展，毫米波相控陣系統(tǒng)開始在民用領域逐漸普及。

審核編輯：陳陳