浅谈相控阵天线

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老鹰漫谈【第一百二十三期】

浅谈相控阵天线

1.背 景

5G-A、卫星互联网、低空经济等战略新兴产业炙手可热，已经成为各级政府、资金争相角逐的新质生产力核心，这些技术无一例外的都与相控阵天线技术发展密切相关，本期老鹰漫谈文章谈谈相控阵天线相关话题。

2.相控阵天线是个什么东东？

相控阵天线，顾名思义是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。

                              

相控阵天线技术最早出现在雷达中，早在上世纪70年代，美军F14与苏军米格31对决中，首次出现了无源相控阵雷达，相比于传统机械天线，相控阵天线通过计算机调整相位方式改变天线辐射方向，没有了机械天线动力装置和惯性问题，精度提升，体积也大幅降低，上世纪70年代以后，在军事上相控阵天线技术有了广泛的应用。

初期相控阵天线技术主要采用无源相控阵天线，相控阵天线共用一个发射机，发射机功率庞大，一旦发射机故障，整个天线就无法使用，无源相控阵天线可靠性差、发射功率受限等问题也凸显出来，随着电子电路技术的迅猛发展，有源相控阵天线应运而生，有源相控阵天线是由数百到上千个不等的发射/接收单元组成的，简称其为T/R组件。这些T/R组件都可以独立发射、接受信号，并在计算机控制下协同工作，即使部分T/R组件损坏，整个相控阵天线仍能工作，我们可以不断的叠加T/R组件以获得更好的天线性能。有源相控阵天线技术目前成为了应用的主流，十年前我国下水的052D驱逐舰上就大规模的应用了有源相控阵天线。一些军事发烧友能很快从我国052D、055驱逐舰的舰桥上看到相控阵天线的身影。如下图示：

     

3.相控阵天线技术发展的主要瓶颈

相控阵天线技术在军事已经广泛应用了，为何时至今日我们才开始接触到相控阵天线的相关产品和应用呢？

性价比和成本原因是制约相控阵天线大规模应用的主要瓶颈。

相控阵天线由众多T/R组件构成，T/R组件造价昂贵，相控阵天线价格与T/R组件数量密相关，基本呈线性增长态势，军事用途T/R组件追求高性能，采用GaAs（砷化镓）、GaN（氮化镓）等稀有金属半导体材料，但是在民用市场，不光追求性能，更追求性价比，如何提高相控阵天线的性价比成为相控阵天线走向民用市场的关键。目前主要有两个路径：

路径1：硅基CMOS相控阵天线。目前基于COMS工艺存在如下难题（1）高频增益低,设计裕量小；（2）高频损耗大, 设计时间长；（3）击穿电压低, 互连线损耗大；（4）受工艺角和高低温影响大；采用高效率功率放大、零功耗高精度移相、超宽带衰减和低功耗低噪声放大等创新技术, 可以突破 CMOS 体硅工艺的固有技术瓶颈，达到与GaAs（砷化镓）材料芯片类似的性能，又以硅基材料的廉价，可以提升相控阵天线T/R组件性价比。

路径2：电磁调控液晶相控阵天线。电磁液晶超材料可以运用于微波、毫米波乃至太赫兹波频段的电调谐器件设计，具有体积小、便捷性高、功耗低、制造成本低等显著特点；并且其填充介质液晶的损耗角正切随着频率的增大而减小，偏置电压也相对较小，为低成本、低功耗相控阵天线设计提供了一个有效的解决方案。目前有三个路线（1）液晶谐振器开关移相技术；（2）液晶延迟线移相技术；（3）液晶可变电容器移相技术。该技术可以在硅基CMOS相控阵天线基础上再次将价格降低。

随着LEO低轨道巨型星座和后5G毫米波多MIMO广泛应用，传统的机械天线已经无法在未来LEO和后5G时代使用，高性价比的相控阵天线技术将成为必选项。

4.相控阵天线发展趋势

毫米波广泛应用

随着5G 低频段宏基站的规模建设完毕，5G进入5G-A或后5G时代，更高容量、通感一体等需求日渐突出，5G 毫米波网络建设从过去试验阶段逐步走向区域化部署，更高阶的MIMO离不开相控阵天线技术发展。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相控阵阵列。除了5G毫米波外，车载毫米波雷达也需要相控阵天线助力。

高低轨卫星融合应用

随着LEO低轨道星座如火如荼的建设，卫星相控阵天线成为了必须项，国外Starlink、Oneweb等低轨道星座投入运营，推动相控阵天线终端产品的成熟，个人使用的低成本相控阵天线成本已降低至数百美金水平，车载、船载、机载相控天线也逐步从实验室走向成熟应用。反观国内，由于低轨道星座尚在建设中，面向高低轨融合的相控阵天线产品成为市场的宠儿，当前阶段在高轨道星座下，相控阵天线能用，可用，升级到低轨道星座时代，仅仅需要简单升级，即可平滑升级，实现能力的倍增。

专业市场由改装走向线装

车载市场：除了特种车辆外，相控阵天线现阶段集中在高端越野车加改装市场，随着市场成熟，越来越多的高端车辆逐步将相控阵天线引入车载前装、线装市场。

机载市场：由于较高的适航门槛，越来越多的机载天线供应商，从传统天线走向相控阵天线，在卫星网络方面，也采用高低轨融合的解决方案，国内也有多家航电厂商开始机载相控阵天线研发和适航取证工作，已然成为下一代机载天线产品必选。

共形设计

随着相控阵天线在各行各业成熟应用，利用车辆、飞机、eVTOL、轮船等自身外形，将相控阵天线与载体进行共形设计，更好的适应各种各样的通信和感知需求。

5.老鹰感言

伴随着后5G、低轨道星座、低空经济的发展，相控阵天线成为了必选。相比于传统天线，相控阵天线的突出特点是研发成本高昂，但批量成本可大幅降低，毕竟剔除研发摊销，相控阵天线无外乎是硅基材料的堆积，亦或是液晶等新型材料成本，考虑 5G天线和卫星相控阵产业重叠复用，其成本下降空间非常大。未来，宽带相控阵终端降至千元级必将成为可能。

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