今年，是时候了解 “毫米波相控阵”了

作者：彭      文章转自：微信公众号慧智微电子
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
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。



图：卡尔·费迪南德·布劳恩，1905年天线阵系统发明者

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。



图：（a）美军1941年在珍珠港部署的SCR-270天线阵雷达系统
（b） 俄罗斯米格-35战斗机装备的甲虫-AE相控阵雷达系统

“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。



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 [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”。

参考文献：
[1].  工业和信息化部关于微波通信系统频率使用规划调整及无线电管理有关事项的通知，https://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].卫星互联网开始加速， 关注低轨卫星产业链机会，国信通信，2022/10/30
[5].https://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, https://pacificeagles.net/scr-270-scr-271-radar/
[10].面向射频移相架构相控阵，权星，2018
[11].Elaboration on iPhone 12 5G antennas, https://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, https://mobillegends.net/starlink-dish-teardown-part-1-spacex-bugbounty-is-open-during
[14].https://www.nonstopsystems.com/radio/frank_radio_antenna_yagi.htm

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