什么是相控阵？探讨略显神秘的毫米波系统

2023年伊始，我们做了2023年大家最想了解的射频技术话题征集（2023年，射频人关注这些技术问题），出乎意料的是，毫米波相关技术获得了21个关注话题，排在最受关注话题的第四位。看似高高在上的毫米波技术，已经成为射频人重点关注的方向。

毫米波技术在军用、雷达等领域已经有多年的应用。在民用领域，也随着最近的5G移动通信、民用卫星通信，以及车载毫米波雷达等应用的普及，逐渐走进了大众的视野。

我国工信部近日在2023年1月发文，将21.2-23.6GHz和71-76GHz/81-86GHz的毫米波频段，列为我国可用于无线通信的频段[1]。根据统计显示，5G毫米波手机2023年出货将突破1亿部，并且在2025年有望实现第二波的快速增长 [2]。

图：5G毫米波手机年出货量

除手机外，其他领域的毫米波应用数量也在快速提升。下图分别为车载毫米波雷达市场数据，以及全球卫星发射数量 [3][4]。可以看到二者在近几年都在快速增长。

图：（a）车载毫米波雷达市场，（b）全球卫星发射数量数据

本文就尝试对毫米波系统中最常用的系统结构：毫米波相控阵结构（Millimeter-wave Phased-Array），做一个讨论。探讨略显神秘的毫米波系统。

   什么是毫米波？ 

无线通信是基于电磁波所进行的通信技术。为了使不同的通信设备传输互不干扰，国际电信联盟等无线电管理机构对无线频谱的使用做了划分，将不同频率的频谱资源，定义到不同的应用中。

毫米波一般是指电磁波频率近似在30GHz到300GHz频段范围内的电磁波，由于此频段电磁波在真空中的波长大约在10mm~1mm之间，波长处于“毫米”量级，所以这个频段的电磁波被称为毫米波。

图：毫米波在电磁波频谱中所处位置

受益于半导体集成电路工艺、通信设备技术的突破，人类对电磁波频谱资源的征服是不断向上延伸的。比如在民用通信领域：

在20世纪初年代，主要的无线通信制式是电视和电台广播，所使用的是频率范围在100MHz左右的射频频率；

进入20世纪80年代，人类开始使用约在1GHz~3GHz范围的微波频段，实现手机移动通信；

2020年，5G移动通信除了定义6GHz以下频段外，还将频率扩展至24GHz~40GHz的毫米波频段。

毫米波通信的特点
 

特点一：大带宽

人类将应用频谱不断向上扩展的源动力，是寻找更丰富的频谱资源，以满足更高通信速率的需求。

无线通信进入毫米波也不例外。相比于6GHz以下通信频段，30GHz~300GHz的毫米波有着近50倍的频谱资源。这就相当于在拥挤的车道旁边，又开辟了一个几十车道的高速公路，大大提升了通信速度。所以毫米波通信的第一个特点就是：大带宽。

大带宽可以完成更高的通信速率。根据Ookla SPEEDTEST提供的通信速率显示 [5]，相比于4G LTE，5G Sub-6GHz网络可提供5倍的速率提升，而5G毫米波网络，可实现20倍速率的明显提升。

图：4G、5G Sub-6G以及5G毫米波下载速率对比

特点二：高分辨率

电磁波还可以用来作为雷达探测使用，通过发出电磁波信号，并且监测电磁波遇到物体之后的反射情况，就可以检测出物体的尺寸、距离等信息。这就是雷达探测的原理。

作为雷达探测使用时，由于电磁波的衍射效应，电磁波对探测物体的分辨率和电磁波的波长呈正比：波长越短的电磁波，越能分辨出更精细的物体。于是，毫米波就被应用到雷达检测中来。

相比于1GHz左右，波长在0.3米左右的射频电磁波来说，位于30GHz以上的毫米波分辨率更高。车载毫米波雷达是毫米波在雷达领域的典型应用，车载毫米波雷达一般采用24GHz、77GHz以及79GHz频段，实现最高厘米级的高精度探测。

图：毫米波雷达在智能汽车中的应用 [6]

特点三：损耗大，易受干扰

毫米波通信也有缺点，就是路径损耗大，易收到干扰。

根据Friis信号传输公式，在传输距离一定时，电磁波的损耗与波长尺寸呈正比：波长越短的电磁波，路径损耗越大。

路径损耗过大就使得毫米波通信无法传输足够远的距离。例如，对于1GHz移动通信，通信基站的覆盖范围可达到数公里范围。而对于毫米波，覆盖范围就快速缩小至数百米。这就对基站的部署提出了更高的要求。

除了路径损耗外，毫米波还容易受到物体遮挡的干扰。毫米波由于波长短，厘米尺寸的物体就会对信号形成遮挡和反射，这个特点在雷达检测中是优点，但在移动通信中却是致命缺点。造成毫米波只能用做“视距传输”，而无法进行绕射传输。

图：毫米波传输，容易受到物体干扰

特点四：电路尺寸小

在射频微波电路的实现中，所用到的元器件值通常与电路工作的波长呈正比、频率呈反比。于是，工作在更高频率的毫米波电路通常可以做到更小的尺寸，这在一定程度上降低了电路成本，同时也为后续的相控阵技术提供了基础。

文献[7]中展示了工作于24GHz的4通道毫米波相控阵完整发射机系统，整个系统包含本振、上变频器、功率放大器等各个模块，并且包含4个通道数。如此复杂的通信系统在2.1mm x 6.8 mm的芯片下即可实现，只有一粒大米大小。

图：4通道24GHz毫米波系统

   什么是相控阵？ 

相控阵（Phased Array）技术是控制阵列天线各单元的相位、幅度，来形成对信号空间波束控制的技术。

相控阵技术起源于20世纪初发明的相控阵天线技术，并最早在军用雷达技术中得到了广泛应用和迅速发展。进入21世纪后，随着民用电磁波频率的不断提高，相控阵技术在民用技术中也开始崭露头角。

在相控阵技术中，有两个重要的技术概念，分别是“相控”和“阵”。以下分别就这两个概念进行讨论。

“阵”的引入：实现定向收发

在天线“阵”被发明之前，电磁波的辐射通常被认为是向外接近全向辐射的：发射信号能量以接近球面的方式向外扩散。根据能量守恒，发射距离越远，球面半径越大，单位面积得到的能量越小。当能量小到一定程度，接收机将无法接收到有用信号。这就是空间传输中“路径损耗”的主要来源之一。

当然可以用增大接收面积来接收更多的能量，很多球面天线就是采用这样的原理，但这样做的结果是球面面积大，并且球面始终需要对准发射源，不适用于发射、接收快速运用的场景。

图：（a）全向辐射的电磁波，（b）增大天线面积来接收更多信号

于是，天线“阵”就被发明了出来。

天线阵是诺贝尔物理学奖获得者，著名物理学家卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun，1850年6月6日－1918年4月20日）于1905年所发明的。布劳恩是阴极射线管的发明者，同时也是无线通信技术的先驱者。1909年，因为在无线电报技术中的贡献，布劳恩与马可尼分享了当年的诺贝尔物理学奖。

在获得诺贝尔奖时，布劳恩表示：“我心之所往的，就是将电磁波只向一个方向传播” [8]。只向一个方向传输的电磁波可以避免无谓的损耗，并且单方向的传输能量更强，传播距离也更远。

布劳恩设计的天线阵系统包含3根垂直单极天线，分别放置于等边三角形的三个顶点处，两两相距1/4波长。通过控制输入信号的相位，就可以实现三根天线发出的信号在三个方向上的叠加情况，从而实现天线向三个方向的分别定向发射。

图：1905年布劳恩发布的天线阵系统，及其远场辐射图

天线阵技术被发明后，受到了军方极大的关注。其定向发射接收、不需要物理转向调节、传播距离远等特性非常适用于军用雷达领域。于是在1920年左右，美国、德国等国家开始研究将天线阵应用于军事雷达中。在1941年，美方将天线阵雷达SCR-270系统部署于珍珠港[9]，该系统包含由32根天线构成的天线阵列。虽然这个雷达系统并没有阻止住日本的攻击，但天线阵雷达的可行性得到了完整验证。在现代军用系统中，相控阵系统已经得到的广泛应用。

“相控”技术：控制瞄准方向

天线阵的引入为电磁波的定向收发提供基础，但实现方向的控制与扫描，还需要引入“相位控制”技术，也就是“相控”。

以接收信号时举例，但天线阵系统进行信号接收时，由于进入各天线的信号经过的传输路径不同，如果直接相加，并不能实现信号的完美加和。这个时候，就需要将各路信号进行移相对齐后，再叠加起来。这个移相对齐的过程，就称为“相控”。通过控制不同通路间的相位关系，就可以接收不同位置发出来的电磁波信号。

图：接收通路中的相位控制

在发射信号时也是一样，通过对输入信号的相位设计，可以控制输出信号在哪个方向进行叠加。如此，如果需要变换发射角度时，只需要改变各信号的相位差。这样就建立起信号发射角度与相位之间的联系。

为简单描述，以两天线组织的阵列分析如下图所示，当两天线发出的信号之间相位无偏移时，两天线发出的信号在中间对称处叠加，而在其他位置抵消，信号集中于垂直方向发射；当两天线信号有相位差时，以天线1的相位延迟大于天线2为例，天线2发出的信号超前于天线1，此时叠加方向向左倾斜。通过控制天线1与天线2之间的相位差，即对发射信号的波束方向进行控制。因为这种技术像是在对波束形状进行赋形，所以也被称为“波束赋形（Beam forming）”技术。

图：通过两天线间信号相位差，对发射波束形状进行控制

“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 [10]。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 [11]。

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 [12]

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 [12]。

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。

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 [13]。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。

2023年，是时候了解“毫米波相控阵”技术了。慧智微期待和您一起，把握最新的无线互联技术。努力“化繁为简，使一切智慧互联”。

编辑：黄飞