學(xué)個(gè)Antenna是以天線仿真和調(diào)試為主，理論原理為輔的干貨天線技術(shù)專欄，包括天線入門知識(shí)以及各類天線的原理簡(jiǎn)介、仿真軟件建模、設(shè)計(jì)、調(diào)試過程及思路。如有想看到的內(nèi)容或技術(shù)問題，可以在文尾寫下留言。

摘要：
傳統(tǒng)的相控陣天線需要獨(dú)立控制成千上萬個(gè)TR組件單元(移相器、放大器等)，使它們具有良好的幅度一致性和相位精度，軍用產(chǎn)品甚至還要求能在嚴(yán)苛的高低溫測(cè)試下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。由于其成本過高，難以進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)。

傳統(tǒng)相控陣天線

相控陣天線是一種通過控制陣列天線單元的饋電幅度和相位來改變遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖形狀的天線。相較于采用機(jī)械方法旋轉(zhuǎn)天線所引入的慣性大、速度慢等缺點(diǎn)，相控陣天線可通過計(jì)算機(jī)快速控制饋電的幅度和相位，達(dá)到高速波束掃描效果。理論上可以對(duì)單元的饋電幅度和相位進(jìn)行優(yōu)化控制，以實(shí)現(xiàn)較低的副瓣電平、將零點(diǎn)位置對(duì)準(zhǔn)干擾方向，或者實(shí)現(xiàn)特殊方向圖形狀的波束賦形等。

參考閱讀：

淺談陣列天線及布陣，低副瓣陣列的設(shè)計(jì)原理，陣列天線的賦形波束綜合(一)

為了讓大家更直觀地感受相控陣，特意按F12進(jìn)入檢查模式，找到視頻的源頭給大家傳上來一份：

相信微波電磁場(chǎng)方向的人對(duì)下面這張圖應(yīng)該很熟悉，傳說中上萬個(gè)陣列單元的相控陣，出自美國(guó)雷神公司。

·雷神公司（Raytheon Company），是美國(guó)的大型國(guó)防合約商，總部設(shè)在馬薩諸塞州的沃爾瑟姆。由Laurence K．Marshall（麻省理工學(xué)院本科畢業(yè)生）和他的大學(xué)同學(xué)Vannevar Bush （麻省理工學(xué)院本科畢業(yè)生）以及年輕的科學(xué)家Charles G．Smith（時(shí)任麻省理工學(xué)院的副教授）共同組建。

成千上萬個(gè)天線單元后端接一些移相器在波束掃描時(shí)給單元間提供相位差。現(xiàn)在，相控陣大多采用數(shù)字式移相器，由計(jì)算機(jī)控制，其相移量以二進(jìn)制方式改變。設(shè)移相器位數(shù)為K，則其最小相移量為：

從公式可以看出移相器所能提供的相位差并非連續(xù)變化，而是以的整數(shù)倍進(jìn)行變化：

在這種情況下，相鄰狀態(tài)下的波束指向差異（波束躍度）為（左右滑動(dòng)看完整公式）：

如果波束躍度過大，就可能會(huì)存在掃描盲區(qū)。為了不出現(xiàn)上面這種情況，一般要求波束躍度小于波束掃描時(shí)的半功率波瓣寬度。

平板相控陣天線

對(duì)于傳統(tǒng)的相控陣而言，由于每個(gè)單元都需要射頻連接器，移相器等，其造價(jià)成本自然偏高。而且高頻時(shí)，單元間距就幾mm，陣列天線板與射頻板分立式加工組裝調(diào)試，自然存在很多公差問題需要克服，批量生產(chǎn)調(diào)試也難以保證比較好的一致性。

如下圖所示是相控陣天線的典型RF前端，衰減器和移相器負(fù)責(zé)對(duì)發(fā)射/接收信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行賦值，發(fā)射鏈路中需要采用功率放大器將小信號(hào)能量放大，接收鏈路中需要濾波器和低噪放將需要頻段的小信號(hào)進(jìn)行放大，然后送往后端進(jìn)行數(shù)字波束合成。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和封裝技術(shù)的發(fā)展，集成式模擬波束成型IC應(yīng)運(yùn)而生，即相控陣芯片。這些芯片的主要功能是準(zhǔn)確設(shè)置每個(gè)通道輸出信號(hào)的相對(duì)幅度和相位。在這方面，國(guó)內(nèi)的紫金山實(shí)驗(yàn)室研制出了超低成本CMOS工藝毫米波芯片：

·基于65nm CMOS體硅工藝，所實(shí)現(xiàn)的Ka頻段CMOS相控陣芯片噪聲系數(shù)為3.0dB, 發(fā)射通道效率為15%，無需校準(zhǔn)即可實(shí)現(xiàn)精確幅相控制，相關(guān)測(cè)試結(jié)果表明所研制的低成本相控陣芯片具有集成度高、幅相控制精確等優(yōu)勢(shì), 噪聲系數(shù)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)接近砷化鎵工藝。

紫金山實(shí)驗(yàn)室還聯(lián)合東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和成都天銳星通科技有限公司，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了CMOS 毫米波芯片與4096發(fā)射/4096接收超大規(guī)模集成相控陣^[1]。

下圖是該項(xiàng)目的高密度多層板PCB工藝圖：將大規(guī)模微帶天線陣列印刷在頂層、射頻電路、控制電路，供電電路集成和芯片等貼裝在背面 ，中間層則采用功分和饋電網(wǎng)絡(luò)，這樣一來，昂貴且體積大的TR組件則被多層板中交錯(cuò)復(fù)雜的線路和盲埋孔所替代了。最終在和深南電路股份有限公司的相互磨合下，不斷完善技術(shù)改進(jìn)工藝，終于在車載和船載寬帶衛(wèi)星通信中得到應(yīng)用驗(yàn)證，并且使得該方案項(xiàng)目具有批量生產(chǎn)可制造性。

·天銳星通的相控陣芯片和平板業(yè)務(wù)集中到了XPHASED天銳星辰，2019年推出第一款民用相控陣平板天線，并在從成都到南京2000公里的路程中驗(yàn)證該平板天線的性能，是中國(guó)第一款能上路使用的民用相控陣平板天線，在Ka頻段連接高軌衛(wèi)星。

參考資料

[1]趙滌燹, 陳智慧, 尤肖虎. CMOS毫米波芯片與4096發(fā)射/4096接收超大規(guī)模集成相控陣設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)科學(xué):信息科學(xué), 51(3):15.: "https://pan.baidu.com/s/1mtyYqPYVrN6u3eapZSWK2Q，提取碼：r8a8"

Kymeta、

雖然國(guó)內(nèi)這項(xiàng)成果特別振奮人心，但是我們還是要立足當(dāng)下，并放眼全球。例如僅僅200左右人的一個(gè)美國(guó)科技公司，Kymeta(https://www.kymetacorp.com/)，利用超材料技術(shù)來“操縱”其電子天線，得到了比爾蓋茨的領(lǐng)投并獲得美國(guó)國(guó)防部9.5億美元的IDIQ合同。除此之外，美國(guó)空軍已授予Kymeta提供系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)行服務(wù)，作為橫跨空中、陸地、海洋、空間、網(wǎng)絡(luò)和電磁波譜等領(lǐng)域的統(tǒng)一力量。

為了直觀感受超材料天線的波束切換效果，可以觀看下方視頻：

·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線與其他相控陣平板天線存在明顯差異。其不像傳統(tǒng)的相控陣天線那樣單獨(dú)控制成千上完個(gè)天線單元，而是采用具有可調(diào)諧的超材料元件結(jié)構(gòu)控制波束形成，而且其獨(dú)有的算法理論可實(shí)現(xiàn)較低的副瓣電平，且具備重量輕、尺寸小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。除此之外，Kymeta的天線采用了超材料結(jié)構(gòu)，其生產(chǎn)方式與液晶顯示屏類似，可以批量生產(chǎn)，從而進(jìn)一步降低成本進(jìn)入商用市場(chǎng)。

下圖是David R. Smith團(tuán)隊(duì)提出的一種超材料天線(https://arxiv.org/pdf/1711.01448.pdf)，其學(xué)生Nathan B. Kundtz即是現(xiàn)Kymeta創(chuàng)始人兼CEO。對(duì)于這種類型的天線，簡(jiǎn)而言之就是每個(gè)單元用二極管或者液晶調(diào)諧其工作狀態(tài)，而每個(gè)單元的工作狀態(tài)又會(huì)影響整個(gè)陣列單元的饋入能量的幅度和相位，因此其具有很高的調(diào)控自由度，從而實(shí)現(xiàn)波束掃描。

對(duì)于平板相控陣來說，其帶寬效率、波束指向精度，低副瓣控制水平和抗干擾能力等是平板天線技術(shù)發(fā)展的重要指標(biāo)項(xiàng)，而較為出色的性能和低成本則是制約平板天線發(fā)展的主要因素。希望國(guó)內(nèi)平板相控陣的性能像國(guó)外Kymeta這些高科技企業(yè)看齊，不斷攻堅(jiān)，解決批量制造和低成本商用化這一對(duì)矛盾。

END

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