[技術(shù)前沿]毫米波相控陣技術(shù)及應(yīng)用
毫米波技術(shù)在軍用、雷達等領(lǐng)域已經(jīng)有多年的應(yīng)用。在民用領(lǐng)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(yīng)用的普及，逐漸走進了大眾的視野。
我國工信部近期在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(jù)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(lǐng)域的毫米波應(yīng)用數(shù)量也在快速提升。下圖分別為車載毫米波雷達市場數(shù)據(jù)，以及全球衛(wèi)星發(fā)射數(shù)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(shù)量數(shù)據(jù)
本文就嘗試對毫米波系統(tǒng)中最常用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：毫米波相控陣結(jié)構(gòu)（Millimeter-wave Phased-Array），做一個討論。探討略顯神秘的毫米波系統(tǒng)。
1.什么是毫米波？
無線通信是基于電磁波所進行的通信技術(shù)。為了使不同的通信設(shè)備傳輸互不干擾，國際電信聯(lián)盟等無線電管理組織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(yīng)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(nèi)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(dǎo)體集成電路工藝、通信設(shè)備技術(shù)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(lǐng)域：
在20世紀(jì)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(jì)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。
1.1 毫米波通信的特點
特點一：大帶寬
人類將應(yīng)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(dāng)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(jù)Ookla SPEEDTEST給予的通信速率顯示 [5]，相比于4G LTE，5G Sub-6GHz網(wǎng)絡(luò)可給予5倍的速率提升，而5G毫米波網(wǎng)絡(luò)，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，順利獲得發(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(yīng)，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(xì)的物體。于是，毫米波就被應(yīng)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(lǐng)域的典型應(yīng)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(yīng)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(jù)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反比：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(yuǎn)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(shù)公里范圍。而對于毫米波，覆蓋范圍就快速縮小至數(shù)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?？梢宰龅礁〉某叽?，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(shù)給予了基礎(chǔ)。
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(shù)。如此復(fù)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)
2.什么是相控陣？
相控陣（Phased Array）技術(shù)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(shù)。
相控陣技術(shù)起源于20世紀(jì)初發(fā)明的相控陣天線技術(shù)，并最早在軍用雷達技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用和迅速開展。進入21世紀(jì)后，隨著民用電磁波頻率的不斷提高，相控陣技術(shù)在民用技術(shù)中也開始嶄露頭角。
在相控陣技術(shù)中，有兩個重要的技術(shù)概念，分別是“相控”和“陣”。以下分別就這兩個概念進行討論。
2.1“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(rèn)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(jù)能量守恒，發(fā)射距離越遠(yuǎn)，球面半徑越大，單位面積得到的能量越小。當(dāng)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(dāng)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(jié)果是球面面積大，并且球面始終需要對準(zhǔn)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(xué)獎取得者，著名物理學(xué)家卡爾·費迪南德·布勞恩（Karl Ferdinand 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(shù)的先驅(qū)者。1909年，因為在無線電報技術(shù)中的貢獻，布勞恩與馬可尼分享了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎。
在取得諾貝爾獎時，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?shù)碾姶挪梢员苊鉄o謂的損耗，并且單方向的傳輸能量更強，傳播距離也更遠(yuǎn)。
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(shè)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。順利獲得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(yuǎn)場輻射圖
天線陣技術(shù)被發(fā)明后，受到了軍方極大的關(guān)注。其定向發(fā)射接收、不需要物理轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)、傳播距離遠(yuǎn)等特性非常適用于軍用雷達領(lǐng)域。于是在1920年左右，美國、德國等國家開始研究將天線陣應(yīng)用于軍事雷達中。在1941年，美方將天線陣?yán)走_SCR-270系統(tǒng)部署于珍珠港[9]，該系統(tǒng)包含由32根天線構(gòu)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?yán)走_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(jīng)得到的廣泛應(yīng)用。
圖：（a）美軍1941年在珍珠港部署的SCR-270天線陣?yán)走_系統(tǒng)
（b） 俄羅斯米格-35戰(zhàn)斗機裝備的甲蟲-AE相控陣?yán)走_系統(tǒng)
2.2 “相控”技術(shù)：控制瞄準(zhǔn)方向
天線陣的引入為電磁波的定向收發(fā)給予基礎(chǔ)，但實現(xiàn)方向的控制與掃描，還需要引入“相位控制”技術(shù)，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(jīng)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”。順利獲得控制不同通路間的相位關(guān)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，順利獲得對輸入信號的相位設(shè)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(dāng)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(dāng)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。順利獲得控制天線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(shù)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(shù)。
圖：順利獲得兩天線間信號相位差，對發(fā)射波束形狀進行控制
2.3“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(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現(xiàn)。
顧名思義，移相器就是實現(xiàn)信號相位變化的電路，順利獲得信號延遲、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)與特點如下。
表：不同移相器的架構(gòu)及特點
2.4 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?yán)走_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(biāo)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(yīng)用靈活、可靠性高，在雷達、無線通信中的應(yīng)用更為廣泛。
2.5 有源相控陣系統(tǒng)架構(gòu)
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(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) [10]。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(gòu)
在以上架構(gòu)中，射頻移相架構(gòu)是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的實現(xiàn)架構(gòu)。
3. 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(jié)合使用，兩種技術(shù)相得益彰，實現(xiàn)優(yōu)勢互補：
毫米波技術(shù)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(shù)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(yīng)用領(lǐng)域所向披靡。
3.1 毫米波相控陣系統(tǒng)應(yīng)用
5G手機
毫米波相控陣技術(shù)離 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 并不遙遠(yuǎn)，不少5G手機中已經(jīng)裝備了此項技術(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，在手機頂部及側(cè)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(jù)蘋果公司給予的數(shù)據(jù)顯示，搭載毫米波技術(shù)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(biāo)反射回來的反射波，順利獲得計算發(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(shù)，利用多天線陣列的方向，實現(xiàn)毫米波信號的精準(zhǔn)賦形，實現(xiàn)對物體的精準(zhǔn)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(shè)計 [12]。
圖：24GHz車載毫米波相控陣?yán)走_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(lǐng)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(dāng)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(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(zhuǎn)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(nèi)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)。
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，外觀類似于一個圓盤。在圓盤中，密集排列著1,280個天線陣列單元 [13]。順利獲得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(gòu)成
4.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)迅速開展。經(jīng)過100多年的開展，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，甚至不同的天線技術(shù)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(shù)開展中有代表性的技術(shù)突破，順利獲得對大規(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(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、民用衛(wèi)星通信的開展，毫米波相控陣系統(tǒng)開始在民用領(lǐng)域逐漸普及。
2023年，是時候分析“毫米波相控陣”技術(shù)了。
參考文獻：
[1]. 工業(yè)和信息化部關(guān)于微波通信系統(tǒng)頻率使用規(guī)劃調(diào)整及無線電管理有關(guān)事項的通知，http://www.miit.gov.cn/jgsj/wgj/wjfb/art/2023/art_64d4ec639a634b51a37b546ff94a7708.html，2023/1/4
[2].Cellular Broadband Device & Module Market, 2022, TSR
[3].ICV: Automotive MMW Radar Market Research Report for 2022 H1
[4].衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)開始加速， 關(guān)注低軌衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈機會，國信通信，2022/10/30
[5].http://www.speedtest.net/
[6].New Radar Applications Driven by Technology, Pasternack, Microwave Journal, 2017。
[7].A. Natarajan, A. Komijani and A. Hajimiri, "A fully integrated 24-GHz phased-array transmitter in CMOS," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 40, no. 12, pp. 2502-2514, Dec. 2005
[8].Phased array on a fingertip, Thomas F. Krauss, Nature, 2013
[9].SCR-270/SCR-271 Radar, http://pacificeagles.net/scr-270-scr-271-radar/
[10].面向射頻移相架構(gòu)相控陣，權(quán)星，2018
[11].Elaboration on iPhone 12 5G antennas, http://www.reverse-costing.com/teardown-notes/elaboration-iphone-12-5g-antennas/
[12].A K-Band Portable FMCW Radar with Beamforming Array for Short-Range Localization and Vital-Doppler Targets Discrimination, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2017
[13].Starlink dish teardown, http://mobillegends.net/starlink-dish-teardown-part-1-spacex-bugbounty-is-open-during
[14].http://www.nonstopsystems.com/radio/frank_radio_antenna_yagi.htm
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