相控陣列天線：從軍用到5G
2023-01-30
作者
Carolyn Mathas，Planet Analog特約撰稿
相控陣列(phased array)技術遠非新技術，已經在各種軍事應用中使用了幾十年。然而如今，該技術在Band 2的5G系統中的應用正迅速獲得關注，這是因為該技術能改善訊號強度、增益、方向性和頻寬等多方面的性能…
相控陣列(phased array)技術遠非新技術，已經在各種軍事應用中使用了幾十年。然而如今，該技術在Band 2的5G系統中的應用正迅速獲得關注，這是因為該技術能改善訊號強度、增益、方向性和頻寬等多方面的性能。
相控陣列使用多個天線單元，透過改變每個單元的相對相位來控制輻射方向圖或波束。利用微波傳輸線和功率分配器(power divider)系統連接天線單元。在相控陣列天線設計中，利用兩個或多個輻射訊號之間的干擾或「波束成形」(beamforming)，來控制發射波束的方向。該天線透過調整發送到陣列中每個發射器的驅動訊號之間的相位差，來實現波束成形。相控陣列天線中發射器的數量少則數個，多至數千個。
當來自每個發射器的訊號完全同相時，它們會產生干擾，並在特定方向上產生強輻射。輻射方向可透過設置傳輸到不同發射器的訊號相移來控制。而相移則由依次傳輸到相繼發射器的訊號之間的微小延遲來控制。使用移相器(phase shifter)可以在相控陣列天線中合成數百個波束。
相控陣列天線類型包括：
．線陣列
將陣列單元配置在一條直線上，在這種情況下，只需要使用一個移相器。不過，波束方向被限制在一個單平面上。要形成平面天線，需要在垂直方向上排列多個線陣列天線。
．平面陣列
這種陣列中，每個天線都配有一個移相器。透過單天線的矩陣排列，形成平面天線，波束可以在兩個平面中偏轉。但這種架構需要大量的移相器，增加了複雜性和成本。
．頻率掃描陣列
這種架構中，天線不需要移相器，波束轉向由發射機的頻率來控制。
圖1：相控陣列天線的工作原理。
(來源：ADI)
最近，同時支援多個波束的數位波束成形技術正在取得進展，該技術用無線網路替換現有電路。無線網路能夠重新配置和添加天線陣列單元、具有操作適應性，並提供透過軟體升級系統性能的便利性。利用數位波束成形，消除了窄頻限制，支援寬頻操作。這種單天線架構最終可提供雷達、通訊和電子戰等所需的多種功能。
相控陣列天線應用
在軍事/航太領域的雷達應用中，相控陣列技術提供了更高的性能和靈活性、低剖面、快速重定位，以及易於追蹤多目標；對於軍事通訊，它能夠同時接入多個無人機/載具和低地軌道衛星，可支援更快、更具成本效益的訊號切換；電子戰應用則包括電子攻擊和保護平台。即使在電磁雜訊環境中，也能實現干擾訊號的方向性控制和敵方訊號的精確定位。此外，在太空中，該技術還能夠滿足衛星應用中的寬頻需求。
如今，相控陣列技術在5G領域亦處於重要位置。對於5G來說，相控陣列天線的關鍵是在毫米波頻段實現更寬的頻寬、更遠覆蓋範圍和更大容量。毫米波系統在短距離的室內應用中相對容易部署，但在室外部署時，會存在傳播損耗、雨水衰減、大氣吸收，以及高衰減和陰影等問題。
最近的半導體技術進步，產生了更具成本效益的相控陣列技術，該技術正被用於衛星、雷達和5G。例如，包含數百個小型天線，同步精確度為皮秒(picosecond，ps)的相控陣天線系統Starlink，該系統在無需機械移動的情況下，只需透過調整每個天線之間的延遲，就可以追蹤天空中的衛星。
最近，亞德諾(ADI)和是德科技(Keysight Technologies)宣佈，他們正在合作推展相控陣列技術的採用。目前，ADI的相控陣列平台正用於加速波束成形的研發，而是德科技則提供相控陣列測試解決方案，該合作旨在提供一個全面的設計、測試和校準生態系統解決方案，以加快上市時間。
圖2：測試和校準是相控陣列天線技術生態系統的重要組成部分。
(來源：是德科技)
是德科技表示，該公司已將相控陣列測試時間從數分鐘縮短到幾秒鐘，在保持高精確度的同時，測量速度提高了70倍。另一方面，ADI發佈了32單元混合波束成形相控陣列開發平台的軟體參考設計及設計示例，以減少混合波束轉向和系統相位校準的原型設計開發時間。
相控陣列技術的未來
不過，挑戰依然存在。儘管當今的數位相控陣列無線電和差分RF前端正在改善收發鏈路的線性、雜訊和動態範圍，但效率仍然偏低。5G及更高版本需要的是只需一步即可實現、具有高寬頻性能和低複雜度的天線陣列。
毫米波頻率要求可擴展性和可製造性，這方面仍在進展中。實現天線陣列的簡化、降低成本、提高效率和添加寬掃描功能都已在設計中，新發現的利基和各種協作將會推動相關技術的快速進展。
(參考原文：Phased array antennas: From military to 5G，by Carolyn Mathas)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年1月號
