摘要：回顧毫米波相控陣天線(xiàn)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，展望毫米波相控陣天線(xiàn)的未來(lái)，并給出了潤(rùn)芯公司預(yù)研的毫米波相控陣多功能芯片指標(biāo)，對(duì)毫米波相控陣的研究人員具有一定參考意義。

引言

隨著5G毫米波通信和寬帶低軌衛(wèi)星通信的迅速崛起，毫米波有源天線(xiàn)開(kāi)始了前所未有的發(fā)展，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)將主宰市場(chǎng)。

毫米波帶來(lái)了大帶寬和高速率，基于Sub-6GHz頻段的4G LTE蜂窩系統(tǒng)可用使用的最大帶寬是100MHz，數(shù)據(jù)速率不超過(guò)1Gbps；在毫米波頻段，移動(dòng)應(yīng)用可用使用的最大帶寬是400MHz，數(shù)據(jù)速率高達(dá)10Gbps甚至更多。

需求總是創(chuàng)新的最大動(dòng)力，加之新材料、新技術(shù)和新工藝的提升，毫米波頻段集成電路元件的技術(shù)難題迅速被攻克，毫米波在5G時(shí)代會(huì)迎來(lái)大規(guī)模應(yīng)用。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，毫米波有源相控陣天線(xiàn)與傳統(tǒng)的動(dòng)中通天線(xiàn)相比，沒(méi)有體積龐大的伺服跟蹤系統(tǒng)，波束速度快、方向可控、可實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星，并且重量輕，可進(jìn)行大批量生產(chǎn)；毫米波有源相控陣天線(xiàn)不含活動(dòng)部件，可靠性極佳，即便陣列中少數(shù)天線(xiàn)單元失效，天線(xiàn)總體性能也不會(huì)受到影響，集成毫米波有源相控天線(xiàn)的終端是未來(lái)毫米波衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向之一。

一、毫米波有源天線(xiàn)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

有源相控陣天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是使用微波集成的方法，將移相器、濾波器、衰減器、功放和低噪放等芯片集成在芯片中，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化、輕型化，波束指向精度較高和一定的波束旁瓣抑制能力；缺點(diǎn)是相控陣成本高，但隨著MMIC技術(shù)發(fā)展，成本會(huì)大幅降低。

（一）國(guó)外毫米波有源相控天線(xiàn)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外有源相控天線(xiàn)的發(fā)展比國(guó)內(nèi)成熟，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。

01

Phasor 研制出了一款Ka頻段低剖面、電控相控陣天線(xiàn)，可適用于航空、海上和陸地的移動(dòng)應(yīng)用。Phasor的技術(shù)使用具有電子波束成型功能的專(zhuān)用集成電路（ASIC）微芯片，這些芯片與非常小的貼片天線(xiàn)組合組成一個(gè)單元，超過(guò)500個(gè)單元分布在經(jīng)過(guò)射頻優(yōu)化的面板上，構(gòu)成了Phasor核心模塊的基礎(chǔ)。核心模塊可以組合成各種尺寸和配置來(lái)構(gòu)建Phasor的相控陣天線(xiàn)，擁有前所未有擴(kuò)展能力。Phasor獨(dú)特的設(shè)計(jì)將能夠生產(chǎn)出形狀適應(yīng)性強(qiáng)，高度只有1~2英寸的天線(xiàn)，具備重量輕、面積小、精度高等特點(diǎn)，并且能夠以非常高的增益提供超過(guò)100Mbps的寬帶速度。

圖1：Phasor研制的相控陣

02

Kymeta天線(xiàn)使用超材料形成全息波束，這意味著可以使用軟件而不是機(jī)械部件來(lái)動(dòng)態(tài)地調(diào)整天線(xiàn)指向，這也大大降低了天線(xiàn)的功耗。天線(xiàn)使用電子射頻波束指向控制，電子極化選擇和角度控制，衛(wèi)星自動(dòng)識(shí)別和跟蹤，可以廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域。

圖2：Kymeta研發(fā)的相控陣

03

2018年6月21日，C-COM衛(wèi)星系統(tǒng)公司使用4×4收發(fā)組件模塊，成功地測(cè)試了其16×16子陣列相控陣天線(xiàn)，此次測(cè)試為2018年底前在兩顆低地球軌道衛(wèi)星的演示做好了準(zhǔn)備。在2016年5月，C-COM基于其專(zhuān)利移相器技術(shù)，成功測(cè)試了其首款4x4 Ka波段相控陣列模塊。4x4 Ka波段智能天線(xiàn)模塊采用基于創(chuàng)新架構(gòu)的低成本多層平面電路，具有靈活度高、厚度小、模塊化、一致性和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。初步結(jié)果令人振奮，即使幾個(gè)天線(xiàn)元件關(guān)閉，模塊仍然能夠提供可接受的輻射方向圖，而不會(huì)顯著降低性能。天線(xiàn)的模塊化特性和曲面的適應(yīng)能力使得其可以適用于汽車(chē)、船只、火車(chē)、公共汽車(chē)和飛機(jī)等載體。這一新系統(tǒng)及其對(duì)更高的毫米波頻段的擴(kuò)展能力也使其在將來(lái)可以在5G及毫米波汽車(chē)?yán)走_(dá)等電信領(lǐng)域得到應(yīng)用。

圖3：C-COM 研制的16X16 相控陣

04

AAC Singapore Wireless Technology Centre 研制的?于5G帶射頻前端的集成毫米波相控陣天線(xiàn)，采用喇叭天線(xiàn)陣和微帶功分網(wǎng)絡(luò)饋電相結(jié)合的方式，仿真天線(xiàn)增益24dB，功分網(wǎng)絡(luò)插入損耗約1.8dB，并用6層PCB制作了相控陣天線(xiàn)實(shí)物，如圖4所示。

圖4：AAC 科技研制的64元相控陣天線(xiàn)

05

Anokiwave是毫米波相控陣行業(yè)引領(lǐng)者，它利用自研芯片設(shè)計(jì)了毫米波256元可重構(gòu)全硅相控陣，DC+12V供電，重量約3kg，實(shí)現(xiàn)EIRP>1KW。

圖5：Anokiwave研制的毫米波相控陣天線(xiàn)

（二）國(guó)內(nèi)毫米波有源相控天線(xiàn)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)因核心芯片和新工藝等限制，毫米波相控陣研制起步較晚，目前大多處于論證或預(yù)研階段，能見(jiàn)報(bào)道的很少。

01

中國(guó)電科某所研制的應(yīng)用于5G毫米波通信和毫米波數(shù)據(jù)鏈的相控陣天線(xiàn)原理樣機(jī)，采用64元微帶陣列天線(xiàn)形式，性能指標(biāo)未公布。

圖6：中國(guó)電科研制的毫米波相控陣天線(xiàn)原理樣機(jī)

02

成都某公司采用硅基多通道芯片研制的毫米波相控陣，垂直線(xiàn)極化，發(fā)射EIRP≥dBm（法向），接收G/T值≥-5dB/K（法向），使用最大占空比30%。

圖7：成都某公司研制的毫米波相控陣天線(xiàn)樣機(jī)

03

北京某公司研制的毫米波相控陣天線(xiàn)，采用高密度集成一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多通道天線(xiàn)最短收發(fā)鏈路的構(gòu)建；采用多接口集成波控模塊，內(nèi)置多組波束方向快速調(diào)整數(shù)據(jù)，輕松實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境下的快速運(yùn)用；配置多功能接口電纜，靈活與外部設(shè)備構(gòu)建同步控制系統(tǒng)，輕松開(kāi)發(fā)和測(cè)試無(wú)線(xiàn)鏈路。天線(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)二維±60度波束掃描范圍，發(fā)射RIRP大于50dBm,適用于5G毫米波通信。

圖8：北京某公司研制的毫米波相控陣天線(xiàn)

二、潤(rùn)芯公司預(yù)研的硅基毫米波芯片

目前，潤(rùn)芯公司預(yù)研的毫米波硅基芯片將集成功率放大器、數(shù)字移相器、數(shù)字衰減器、驅(qū)動(dòng)放大器、低噪聲放大器、濾波器和功分網(wǎng)絡(luò)等，收發(fā)芯片能夠支持相控陣掃描的全部功能，可以與毫米波平面陣列天線(xiàn)組成相控陣天線(xiàn)射頻前端。

（一）發(fā)射通道芯片

圖9：發(fā)射通道芯片原理框圖

① 頻率：27.5-30GHz；
② 尺寸：<6*6*0.5 mm
③ P1dB：17dBm；
④ 支持左旋、右旋、線(xiàn)極化
⑤ 每個(gè)通道G>22dB；
⑥ 增益平坦度:2dB;
⑦ 效率>15%@P1dB；
⑧ 5bit數(shù)字移相：
⑨ 5bit數(shù)字衰減：
⑩ VSWR<1.8:1
? SPI數(shù)據(jù)控制接口
? 預(yù)留功率、溫度等檢測(cè)口

（二）接收通道芯片

圖10：接收通道芯片原理框圖

① 頻率：17.7-21.2GHz；
② 尺寸：<6*6*0.5 mm；
③ NF<3.0dB；
④ G>22dB；
⑤ 支持左旋、右旋、線(xiàn)極化；
⑥ 增益平坦度:2dB；
⑦ 效率>15%；
⑧ 5bit數(shù)字移相；
⑨ 5bit數(shù)字衰減；
⑩ VSWR<1.8:1；
? SPI數(shù)據(jù)控制接口；
? 預(yù)留功率、溫度等檢測(cè)口。

三、未來(lái)展望

未來(lái)，用于5G和衛(wèi)星通信的有源毫米波天線(xiàn)在未來(lái)幾年將實(shí)現(xiàn)空前的量產(chǎn)，那何種工藝才更利于實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)呢？

基于GaAs或GaN工藝，IC位于天線(xiàn)陣列外的傳統(tǒng)相控陣方式雖然EIRP非常高，但損耗及自校準(zhǔn)缺失所造成的接收性能差，成本很難降低；基于全硅多功能芯片的毫米波有源天線(xiàn)雖然每個(gè)單元的發(fā)射功率有限，但容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，且制造成本低，是實(shí)現(xiàn)毫米波相控天線(xiàn)的必然趨勢(shì)。

綜上所述，展望未來(lái)，毫米波相控天線(xiàn)發(fā)展方向會(huì)朝著寬帶、共形和超材料方向發(fā)展：

?  寬帶超寬帶陣列天線(xiàn)可廣泛應(yīng)用于多頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)，支持多波束使用，減少天線(xiàn)數(shù)量；

?  天線(xiàn)陣列、射頻元器件等與平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)，天線(xiàn)作為載體的一部分，推動(dòng)天線(xiàn)向小型化、集成化、低剖面、芯片化方向發(fā)展。

?  超材料技術(shù)通過(guò)人工對(duì)于某些復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使材料具備了超出自然材料的某些電磁波響應(yīng)特性，天線(xiàn)向小型化、共形、隱身方向發(fā)展。

作者：徐永杰
圖片：來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)
來(lái)源：廣州潤(rùn)芯信息技術(shù)有限公司