聊聊平板相控阵天线

EETOP 2021-12-31 11:47

学个Antenna是以天线仿真和调试为主，理论原理为辅的干货天线技术专栏，包括天线入门知识以及各类天线的原理简介、仿真软件建模、设计、调试过程及思路。如有想看到的内容或技术问题，可以在文尾写下留言。

摘要：

传统的相控阵天线需要独立控制成千上万个TR组件单元(移相器、放大器等)，使它们具有良好的幅度一致性和相位精度，军用产品甚至还要求能在严苛的高低温测试下长时间运行。由于其成本过高，难以进入消费市场。

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传统相控阵天线

相控阵天线是一种通过控制阵列天线单元的馈电幅度和相位来改变远场方向图形状的天线。相较于采用机械方法旋转天线所引入的惯性大、速度慢等缺点，相控阵天线可通过计算机快速控制馈电的幅度和相位，达到高速波束扫描效果。理论上可以对单元的馈电幅度和相位进行优化控制，以实现较低的副瓣电平、将零点位置对准干扰方向，或者实现特殊方向图形状的波束赋形等。

为了让大家更直观地感受相控阵，特意按F12进入检查模式，找到视频的源头给大家传上来一份：

相信微波电磁场方向的人对下面这张图应该很熟悉，传说中上万个阵列单元的相控阵，出自美国雷神公司。

雷神公司（Raytheon Company），是美国的大型国防合约商，总部设在马萨诸塞州的沃尔瑟姆。由Laurence K．Marshall（麻省理工学院本科毕业生）和他的大学同学Vannevar Bush （麻省理工学院本科毕业生）以及年轻的科学家Charles G．Smith（时任麻省理工学院的副教授）共同组建。

成千上万个天线单元后端接一些移相器在波束扫描时给单元间提供相位差。现在，相控阵大多采用数字式移相器，由计算机控制，其相移量以二进制方式改变。设移相器位数为，则其最小相移量为：

从公式可以看出移相器所能提供的相位差并非连续变化，而是以的整数倍进行变化：

在这种情况下，相邻状态下的波束指向差异（波束跃度）为（左右滑动看完整公式）：

如果波束跃度过大，就可能会存在扫描盲区。为了不出现上面这种情况，一般要求波束跃度小于波束扫描时的半功率波瓣宽度。

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平板相控阵天线

对于传统的相控阵而言，由于每个单元都需要射频连接器，移相器等，其造价成本自然偏高。而且高频时，单元间距就几mm，阵列天线板与射频板分立式加工组装调试，自然存在很多公差问题需要克服，批量生产调试也难以保证比较好的一致性。

如下图所示是相控阵天线的典型RF前端，衰减器和移相器负责对发射/接收信号的幅度和相位进行赋值，发射链路中需要采用功率放大器将小信号能量放大，接收链路中需要滤波器和低噪放将需要频段的小信号进行放大，然后送往后端进行数字波束合成。

随着半导体技术和封装技术的发展，集成式模拟波束成型IC应运而生，即相控阵芯片。这些芯片的主要功能是准确设置每个通道输出信号的相对幅度和相位。在这方面，国内的紫金山实验室研制出了超低成本CMOS工艺毫米波芯片：

基于65nm CMOS体硅工艺，所实现的Ka频段CMOS相控阵芯片噪声系数为3.0dB, 发射通道效率为15%，无需校准即可实现精确幅相控制，相关测试结果表明所研制的低成本相控阵芯片具有集成度高、幅相控制精确等优势, 噪声系数等关键技术指标接近砷化镓工艺。

紫金山实验室还联合东南大学移动通信国家重点实验室和成都天锐星通科技有限公司，设计实现了CMOS 毫米波芯片与4096发射/4096接收超大规模集成相控阵^[1]。

下图是该项目的高密度多层板PCB工艺图：将大规模微带天线阵列印刷在顶层、射频电路、控制电路，供电电路集成和芯片等贴装在背面，中间层则采用功分和馈电网络，这样一来，昂贵且体积大的TR组件则被多层板中交错复杂的线路和盲埋孔所替代了。最终在和深南电路股份有限公司的相互磨合下，不断完善技术改进工艺，终于在车载和船载宽带卫星通信中得到应用验证，并且使得该方案项目具有批量生产可制造性。

天锐星通的相控阵芯片和平板业务集中到了XPHASED天锐星辰，2019年推出第一款民用相控阵平板天线，并在从成都到南京2000公里的路程中验证该平板天线的性能，是中国第一款能上路使用的民用相控阵平板天线，在Ka频段连接高轨卫星。

参考资料

[1]

赵涤燹, 陈智慧, 尤肖虎. CMOS毫米波芯片与4096发射/4096接收超大规模集成相控阵设计实现[J]. 中国科学:信息科学, 51(3):15.: "https://pan.baidu.com/s/1mtyYqPYVrN6u3eapZSWK2Q，提取码：r8a8"

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Kymeta

虽然国内这项成果特别振奋人心，但是我们还是要立足当下，并放眼全球。例如仅仅200左右人的一个美国科技公司，Kymeta(https://www.kymetacorp.com/)，利用超材料技术来“操纵”其电子天线，得到了比尔盖茨的领投并获得美国国防部9.5亿美元的IDIQ合同。除此之外，美国空军已授予Kymeta提供系统开发和运行服务，作为横跨空中、陆地、海洋、空间、网络和电磁波谱等领域的统一力量。

为了直观感受超材料天线的波束切换效果，可以观看下方视频：

M. C. Johnson, S. L. Brunton, N. B. Kundtz and J. N. Kutz, "Sidelobe Canceling for Reconfigurable Holographic Metamaterial Antenna," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 63, no. 4, pp. 1881-1886, April 2015, doi: 10.1109/TAP.2015.2399937.（https://ieeexplore.ieee.org/document/7031374）

Kymeta公司基于超材料的天线与其他相控阵平板天线存在明显差异。其不像传统的相控阵天线那样单独控制成千上完个天线单元，而是采用具有可调谐的超材料元件结构控制波束形成，而且其独有的算法理论可实现较低的副瓣电平，且具备重量轻、尺寸小、功耗低的优点。除此之外，Kymeta的天线采用了超材料结构，其生产方式与液晶显示屏类似，可以批量生产，从而进一步降低成本进入商用市场。

下图是David R. Smith团队提出的一种超材料天线(https://arxiv.org/pdf/1711.01448.pdf)，其学生Nathan B. Kundtz即是现Kymeta创始人兼CEO。对于这种类型的天线，简而言之就是每个单元用二极管或者液晶调谐其工作状态，而每个单元的工作状态又会影响整个阵列单元的馈入能量的幅度和相位，因此其具有很高的调控自由度，从而实现波束扫描。