了解毫米波“移相”--之三

“移相”的实现

由于各信号的“相位”与信号的发射方向、叠加强度直接相关，所以“移相”功能是相控阵系统中非常重要的功能模块。在现代相控阵系统中，移相功能通常由移相器电路实现。

顾名思义，移相器就是实现信号相位变化的电路，通过信号延迟、信号叠加等方式，使输入信号产生相移，从而改变输入信号的相位。

一般在电路实现上，分为无源移相和有源移相两种。两种移相方式常见的电路结构与特点如下。


表：不同移相器的架构及特点

相控阵系统的分类

在相控阵系统分类中，主要分为无源相控阵和有源相控阵两种。


图：无源相控阵系统，及有源相控阵系统架构

两种系统都可以实现定向收发的天线阵，在实现上，无源相控阵系统的阵列由无源天线+移相器部分实现，信号的接收和发射均由中央接收机和发射机来实现。在有源相控阵雷达中，每个辐射器均配置有独立的有源接收/发射组件。

有源相控阵系统中，由于功率源前置至天线阵元，雷达系统更为稳定。并且因为每个通道上均有T/R组件，即使有少量的T/R组件损坏，整体性能也不会受到明显影响。由于每个通道可以独立工作，还可以对有源相控阵系统的单元组件进行分组，实现多目标同时跟踪等特性。

虽然无源相控系统只有一个发射接收组件，实现相对简单，成本也相对更低，但有源相控阵系统应用灵活、可靠性高，在雷达、无线通信中的应用更为广泛。

有源相控阵系统架构

相控阵系统实现中，最主要的功能就是实现移相。根据移相器在系统中所处的位置，有源相控阵系统可以分为如下三种架构 。分别为：

射频移相架构

本振移相架构

数字移相架构

三种架构的实现方式和优缺点对比如下。


表：有源相控阵的系统架构

在以上架构中，射频移相架构是当前应用较为广泛的实现架构。

毫米波+相控阵：优劣互补，相得益彰

以上分别讨论了毫米波、相控阵两大技术。虽然二者是独立的两大技术，但在使用中，经常将二者结合使用，两种技术相得益彰，实现优势互补：

毫米波技术的特点是带宽大，但其路径损耗大、传播距离短，利用相控阵技术的波束聚焦功能，刚好可以将毫米波实现定向发射，增大传输距离。

相控阵系统优点是可实现信号的定向发射，但由于需要几十甚至成百上千个阵列，造成电路面积增大。而毫米波电路面积小这个优势，刚好可以用于实现大规模阵列。

于是，“毫米波相控阵”这一组合相辅相成，在一些特定应用领域所向披靡。

毫米波相控阵系统应用

5G手机

毫米波相控阵技术离我们并不遥远，不少5G手机中已经装备了此项技术。

在2020年10月份，苹果公司发布的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，在手机顶部及侧面分别部署4天线毫米波阵列，实现毫米波信号的收发功能 。

根据苹果公司提供的数据显示，搭载毫米波技术的iPhone 12，最高可实现4Gbps的峰值下行速率。


图：搭载高通毫米波相控阵方案的iPhone 12手机（美版）

车载毫米波雷达

车载毫米波雷达的工作原理是向被探测物体发射毫米波电磁波信号，并接收从目标反射回来的反射波，通过计算发射和接收信号的时间差，就可以对被测物体进行探测。


图：典型车载雷达工作原理 

在实现方式上，车载毫米波雷达也需要借助毫米波相控阵技术，利用多天线阵列的方向，实现毫米波信号的精准赋形，实现对物体的精准探测。

下图为24GHz车载毫米波雷达的实现方案之一，在接收通路中，采用了4通道相控阵列的方式进行设计 。


图：24GHz车载毫米波相控阵雷达系统

卫星通信

卫星通信是现在无线通信研究的一大热点，尤其是低轨卫星领域，由于其低延时、大带宽的特性，可以作为蜂窝通信很好的补盲使用。

虽然卫星通信有不受地理位置限制的优点，但实现起来并不容易。即使对于低轨卫星，其距离地球的距离也在1,000公里量级，基本相当于北京到上海的距离。而普通的地面蜂窝基站的传输距离只有数公里。想要在地面到卫星这种距离范围内直接建立信号连接并不容易，需要有高的发射功率，或者采用定向性强的发射系统。

另外，卫星的快速运转也给地空连接提出挑战。低轨卫星绕地球一圈的时间大约只有100分钟左右。如果以60度的可视角度计算，每一颗卫星在视角范围内的时间只有17分钟。并且卫星还在以每小时3万公里的速度快速飞行。这就需要地面站必须要有信号波束的快速扫描特性。

毫米波相控阵系统的波束定向性，以及电子相位控制的快速扫描特性刚好可以在卫星通信中一显身手。在SpaceX公司星链系统中，就使用了工作于毫米波的相控阵系统。


图：星链系统所使用的地面站以及低轨卫星系统

星链系统将其地面站称为Starlink Dish（星链盘），其直径为58.9厘米，外观类似于一个圆盘。在圆盘中，密集排列着1,280个天线阵列单元。通过下层连接的移相控制以及射频收发电路，实现高指向和快速扫描的毫米波相控阵系统，完成以550公里以外，3万公里/小时快速移动的卫星连接。


图：星链系统地面收发装置构成

总 结

自19世纪末电磁波被发现以来，无线通信技术迅速发展。经过100多年的发展，无线通信技术已经不再是单纯的“收”、“发”这么简单，而是借助于不同频率、不同信号，甚至不同的天线技术完成强大的无线通信功能。

毫米波相控阵系统是无线通信技术发展中有代表性的技术突破，通过对大规模天线阵中输入信号的相位控制，实现了大带宽毫米波信号的定向传输，解决了毫米波信号路径损耗大的难题。

在2020年之前，对于毫米波相控阵系统的研究主要集中于军用、学术领域。在2020年之后，随着民用5G通信、智能汽车用毫米波雷达、民用卫星通信的发展，毫米波相控阵系统开始在民用领域逐渐普及。