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，毫米波有源天線開始了前所未有的發(fā)展，預計未來幾年內(nèi)將主宰市場。

毫米波帶來了大帶寬和高速率，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1Gbps；在毫米波頻段，移動應(yīng)用可用使用的最大帶寬是400MHz，數(shù)據(jù)速率高達10Gbps甚至更多。

需求總是創(chuàng)新的最大動力，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時代會迎來大規(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(chǎn)；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(shù)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、毫米波有源天線國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)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(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；缺點是相控陣成本高，但隨著MMIC技術(shù)發(fā)展，成本會大幅降低。

（一）國外毫米波有源相控天線發(fā)展現(xiàn)狀

國外有源相控天線的發(fā)展比國內(nèi)成熟，廣泛應(yīng)用于雷達、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，可適用于航空、海上和陸地的移動應(yīng)用。Phasor的技術(shù)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(jīng)過射頻優(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構(gòu)建Phasor的相控陣天線，擁有前所未有擴展能力。Phasor獨特的設(shè)計將能夠生產(chǎn)出形狀適應(yīng)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。

圖1：Phasor研制的相控陣

02

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(diào)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(yīng)用于移動通信領(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(shù)，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(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)性強等特點。初步結(jié)果令人振奮，即使幾個天線元件關(guān)閉，模塊仍然能夠提供可接受的輻射方向圖，而不會顯著降低性能。天線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、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(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，采用喇叭天線陣和微帶功分網(wǎng)絡(luò)饋電相結(jié)合的方式，仿真天線增益24dB，功分網(wǎng)絡(luò)插入損耗約1.8dB，并用6層PCB制作了相控陣天線實物，如圖4所示。

圖4：AAC 科技研制的64元相控陣天線

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)計了毫米波256元可重構(gòu)全硅相控陣，DC+12V供電，重量約3kg，實現(xiàn)EIRP>1KW。

圖5：Anokiwave研制的毫米波相控陣天線

（二）國內(nèi)毫米波有源相控天線發(fā)展現(xiàn)狀

國內(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研階段，能見報道的很少。

01

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

圖6：中國電科研制的毫米波相控陣天線原理樣機

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樣機

03

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(shè)計，實現(xiàn)了多通道天線最短收發(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)，輕松實現(xiàn)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(shè)備構(gòu)建同步控制系統(tǒng)，輕松開發(fā)和測試無線鏈路。天線能夠?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

三、未來展望

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

基于GaAs或GaN工藝，IC位于天線陣列外的傳統(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雖然每個單元的發(fā)射功率有限，但容易實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，且制造成本低，是實現(xiàn)毫米波相控天線的必然趨勢。

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

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

2.天線陣列、射頻元器件等與平臺一體化設(shè)計，天線作為載體的一部分，推動天線向小型化、集成化、低剖面、芯片化方向發(fā)展。

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