毫米波相控陣天線國內外發(fā)展現狀及技術趨勢

時間：2020-09-21 15:07:59

關鍵字： 5G 通信技術

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[導讀]隨著5G毫米波通信和寬帶低軌衛(wèi)星通信的迅速崛起，毫米波有源相控陣天線開始了前所未有的發(fā)展，預計未來幾年內將主宰市場。

隨著5G毫米波通信和寬帶低軌衛(wèi)星通信的迅速崛起，毫米波有源相控陣天線開始了前所未有的發(fā)展，預計未來幾年內將主宰市場。

隨著新材料、新技術和新工藝的提升，毫米波頻段集成電路元件的技術難題迅速被攻克，毫米波在5G時代會迎來大規(guī)模應用。在衛(wèi)星通信領域，毫米波有源相控陣天線與傳統(tǒng)的動中通天線相比，沒有體積龐大的伺服跟蹤系統(tǒng)，波束速度快、方向可控、可實時跟蹤衛(wèi)星，并且重量輕，可進行大批量生產；毫米波有源相控陣天線不含活動部件，可靠性極佳，即便陣列中少數天線單元失效，天線總體性能也不會受到影響，集成毫米波有源相控天線的終端是未來毫米波衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向之一。

一、毫米波有源相控陣天線國內外發(fā)展現狀

有源相控陣天線的優(yōu)點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，實現了設備的小型化、輕型化，波束指向精度較高和一定的波束旁瓣抑制能力；缺點是相控陣成本高，但隨著MMIC技術發(fā)展，成本會大幅降低。

（一）國內毫米波有源相控陣天線發(fā)展現狀

國內因核心芯片和新工藝等限制，毫米波相控陣研制起步較晚，但近幾年發(fā)展飛速。

安全紫金山實驗室研制的CMOS毫米波全集成4通道相控陣芯片，已完成芯片封裝和測試，每通道成本由1000元降至20元。同時，他們封裝集成1024通道天線單元的毫米波大規(guī)模有源天線陣列。芯片與天線陣列力爭2022年規(guī)模商用于5G系統(tǒng)。

成都天銳星通科技有限公司已發(fā)布多款微波、毫米波有源相控陣天線。包括KA頻段衛(wèi)星通信相控陣天線、KU頻段衛(wèi)星通信相控陣天線、Ka頻段5G通信相控陣天線、E頻段相控陣汽車雷達等。

若森智能：輕型相控陣衛(wèi)星通信天線

西安安列德電子科技有限公司：Ka波段環(huán)形超稀疏相控陣天線。樣機工作在35GHz波段，通過超稀疏設計將傳統(tǒng)設計所需的912陳元數量大幅降至僅需128陳元，大幅度縮減了后端通道數量，留下了充足的空間來解決高頻下的散熱問題。射頻通道數量的大幅度減少，節(jié)省了近800萬元的元器件成本。其充足的內部空間降低了設計加工難度、亦可進一步加裝相關裝置，下圖為樣機實體。

中實創(chuàng)（北京）科技有限公司：Ku和Ka頻段相控電磁表面地面終端系列。等效天線口徑0.3米，0.5米以上，采用相控電磁表面陣列技術，電控自動掃描，掃描范圍120度錐角，波束切換時間小于3ns，適用于低軌衛(wèi)星地面終端，便攜站等應用場合。

中國電科某所研制的應用于5G毫米波通信和毫米波數據鏈的相控陣天線原理樣機，采用64元微帶陣列天線形式，性能指標未公布。

中國電科研制的毫米波相控陣天線原理樣機

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%。

成都某公司研制的毫米波相控陣天線樣機

北京某公司研制的毫米波相控陣天線，采用高密度集成一體化設計，實現了多通道天線最短收發(fā)鏈路的構建；采用多接口集成波控模塊，內置多組波束方向快速調整數據，輕松實現多種環(huán)境下的快速運用；配置多功能接口電纜，靈活與外部設備構建同步控制系統(tǒng)，輕松開發(fā)和測試無線鏈路。天線能夠實現二維±60度波束掃描范圍，發(fā)射RIRP大于50dBm,適用于5G毫米波通信。

北京某公司研制的毫米波相控陣天線

（二）國外毫米波有源相控陣天線發(fā)展現狀

國外有源相控天線的發(fā)展比國內成熟，廣泛應用于雷達、衛(wèi)星通信等領域。

Phasor 研制出了一款Ka頻段低剖面、電控相控陣天線，可適用于航空、海上和陸地的移動應用。Phasor的技術使用具有電子波束成型功能的專用集成電路（ASIC）微芯片，這些芯片與非常小的貼片天線組合組成一個單元，超過500個單元分布在經過射頻優(yōu)化的面板上，構成了Phasor核心模塊的基礎。核心模塊可以組合成各種尺寸和配置來構建Phasor的相控陣天線，擁有前所未有擴展能力。Phasor獨特的設計將能夠生產出形狀適應性強，高度只有1~2英寸的天線，具備重量輕、面積小、精度高等特點，并且能夠以非常高的增益提供超過100Mbps的寬帶速度。

Phasor研制的相控陣

Kymeta天線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械部件來動態(tài)地調整天線指向，這也大大降低了天線的功耗。天線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)星自動識別和跟蹤，可以廣泛應用于移動通信領域。

Kymeta研發(fā)的相控陣

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，成功地測試了其16×16子陣列相控陣天線，此次測試為2018年底前在兩顆低地球軌道衛(wèi)星的演示做好了準備。在2016年5月，C-COM基于其專利移相器技術，成功測試了其首款4x4 Ka波段相控陣列模塊。4x4 Ka波段智能天線模塊采用基于創(chuàng)新架構的低成本多層平面電路，具有靈活度高、厚度小、模塊化、一致性和適應性強等特點。初步結果令人振奮，即使幾個天線元件關閉，模塊仍然能夠提供可接受的輻射方向圖，而不會顯著降低性能。天線的模塊化特性和曲面的適應能力使得其可以適用于汽車、船只、火車、公共汽車和飛機等載體。這一新系統(tǒng)及其對更高的毫米波頻段的擴展能力也使其在將來可以在5G及毫米波汽車雷達等電信領域得到應用。

C-COM 研制的16X16 相控陣