相控阵天线：从军用到5G-凡亿课堂

相控阵技术远非新技术，已经在各种军事应用中用了几十年了。然而如今，该技术在频段2的5G系统中的应用正迅速获得关注，这是因为该技术能改善信号强度、增益、方向性和带宽等多方面的性能。
相控阵使用多个天线单元，通过改变每个单元的相对相位来控制辐射方向图或波束。通过微波传输线和功率分配器系统连接天线单元。在相控阵天线设计中，利用两个或多个辐射信号之间的干涉或“波束成形”，来控制发射波束的方向。该天线通过调整发送到阵列中每个发射器的驱动信号之间的相位差，来实现波束成形。相控阵天线中发射器的数量少则数个，多至数千个。
当来自每个发射器的信号完全同相时，它们会产生干涉，并在特定方向上产生强辐射。辐射方向可通过设置传输到不同发射器的信号相移来控制。而相移则由依次传输到相继发射器的信号之间的微小延迟来控制。使用移相器可以在相控阵天线中合成数百个波束。
相控阵天线类型包括：
●线阵列将阵列单元配置在一条直线上，在这种情况下，只需要使用一个移相器。不过，波束方向被限制在一个单平面上。如要形成面天线，则需要在垂直方向上排列多个线阵列天线。●平面阵列这种阵列中，每个天线都配有一个移相器。通过单天线的矩阵排列，形成平面天线，波束可以在两个平面中偏转。但这种架构需要大量的移相器，增加了复杂性和成本。●频率扫描阵列这种架构中，天线不需要移相器。波束转向由发射机的频率来控制。
图1：相控阵天线工作原理。来源：ADI
最近，同时支持多个波束的数字波束成形技术正在取得进展，该技术用无线网络替换现有电路。无线网络能够重新配置和添加天线阵列单元、具有操作适应性、并提供通过软件升级系统性能的便利性。通过数字波束成形，消除了窄带限制，支持宽带操作。这种单天线架构最终可提供雷达、通信和电子战等所需的多种功能。
相控阵天线应用
在军事/航天领域的雷达应用中，相控阵技术提供了更高的性能和灵活性、低剖面、快速重定位以及易于跟踪多目标;
对于军事通信，它能够同时接入多个无人机/载具和近地轨道卫星，可支持更快、更具成本效益的信号切换;
而电子战用例则包括电子攻击和保护平台。即使在电磁噪声环境中，也能实现干扰信号的方向性控制和敌方信号的精确定位。
此外，在太空中，该技术还能够满足卫星应用中的宽带需求。
然而如今，相控阵技术在5G领域亦处于重要位置。对于5G来说，相控阵天线的关键是在毫米波段实现更宽的带宽、更远覆盖范围和更大容量。毫米波系统在短距离的室内应用中相对容易部署，但在室外部署时，会存在传播损耗、雨水衰减、大气吸收以及高衰减和阴影等问题。
最近的半导体技术进步，产生了更具成本效益的相控阵技术，该技术正被用于卫星、雷达和5G。例如，集成了以皮秒精度同步的、数百个小型天线的Starlink相控阵天线系统。该系统中，在无需机械移动的情况下，只需通过调整每个天线之间的延迟，一台Starlink设备就可以对天空中的多颗卫星实施跟踪。
最近，ADI和Keysight Technologies宣布，他们正在合作推进相控阵技术的推广利用。目前，前者的相控阵平台正用于加速波束成形的研发，而后者则提供相控阵测试解决方案。该合作旨在提供一个全面的设计、测试和校准生态系统解决方案，以加快上市时间。

图2：测试和校准是相控阵天线技术生态系统的重要组成部分。资料来源：Keysight Technologies
Keysight表示，该公司已将相控阵测试时间从数分钟缩短到几秒钟，在保持高精度的同时，测量速度提高了70倍。另一方面，ADI为其32单元混合波束成形相控阵开发平台发布了软件参考设计，并提供了设计示例，以减少混合波束转向和系统相位校准的原型设计开发时间。
相控阵技术的未来
不过，挑战依然存在。尽管当今的数字相控阵无线电和差分RF前端正在改善收发链路的线性、噪声和动态范围，但效率仍然偏低。5G及更高版本需要的是，只需一步即可实现的、具有高宽带性能和低复杂度的天线阵列。毫米波频率要求可扩展性和可制造性，这方面仍在进展中。实现天线阵列的简化、降低成本、提高效率和增加宽扫描功能都是板上钉钉的事情。新发现的兴趣和各种合作将会推动相关技术的快速进展。
作者：CAROLYN MATHAS

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