图:5G毫米波手机年出货量
图:(a)车载毫米波雷达市场,(b)全球卫星发射数量数据
图:毫米波在电磁波频谱中所处位置
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。
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]
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
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。
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
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
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
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。
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。
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
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”。