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相控阵天线:从军用到5G

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。

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。

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。

(参考原文:Phased array antennas from military to 5g

本文为《电子工程专辑》2023年1月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

文章来自:https://www.eet-china.com/

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