2023年伊始，我們做了2023年大家最想了解的射頻技術話題征集（2023年，射頻人關注這些技術問題），出乎意料的是，毫米波相關技術獲得了21個關注話題，排在最受關注話題的第四位。看似高高在上的毫米波技術，已經成為射頻人重點關注的方向。 ? 毫米波技術在軍用、雷達等領域已經有多年的應用。在民用領域，也隨著最近的5G移動通信、民用衛星通信，以及車載毫米波雷達等應用的普及，逐漸走進了大眾的視野。 ? 我國工信部近日在2023年1月發文，將21.2-23.6GHz和71-76GHz/81-86GHz的毫米波頻段，列為我國可用于無線通信的頻段[1]。根據統計顯示，5G毫米波手機2023年出貨將突破1億部，并且在2025年有望實現第二波的快速增長 [2]。

圖：5G毫米波手機年出貨量

除手機外，其他領域的毫米波應用數量也在快速提升。下圖分別為車載毫米波雷達市場數據，以及全球衛星發射數量 [3][4]。可以看到二者在近幾年都在快速增長。 ?

圖：（a）車載毫米波雷達市場，（b）全球衛星發射數量數據

本文就嘗試對毫米波系統中最常用的系統結構：毫米波相控陣結構（Millimeter-wavePhased-Array），做一個討論。探討略顯神秘的毫米波系統。 ?

???什么是毫米波？?

無線通信是基于電磁波所進行的通信技術。為了使不同的通信設備傳輸互不干擾，國際電信聯盟等無線電管理機構對無線頻譜的使用做了劃分，將不同頻率的頻譜資源，定義到不同的應用中。 ? 毫米波一般是指電磁波頻率近似在30GHz到300GHz頻段范圍內的電磁波，由于此頻段電磁波在真空中的波長大約在10mm~1mm之間，波長處于“毫米”量級，所以這個頻段的電磁波被稱為毫米波。 ?

圖：毫米波在電磁波頻譜中所處位置

受益于半導體集成電路工藝、通信設備技術的突破，人類對電磁波頻譜資源的征服是不斷向上延伸的。比如在民用通信領域：

在20世紀初年代，主要的無線通信制式是電視和電臺廣播，所使用的是頻率范圍在100MHz左右的射頻頻率；

進入20世紀80年代，人類開始使用約在1GHz~3GHz范圍的微波頻段，實現手機移動通信；

2020年，5G移動通信除了定義6GHz以下頻段外，還將頻率擴展至24GHz~40GHz的毫米波頻段。

毫米波通信的特點

特點一：大帶寬

人類將應用頻譜不斷向上擴展的源動力，是尋找更豐富的頻譜資源，以滿足更高通信速率的需求。

無線通信進入毫米波也不例外。相比于6GHz以下通信頻段，30GHz~300GHz的毫米波有著近50倍的頻譜資源。這就相當于在擁擠的車道旁邊，又開辟了一個幾十車道的高速公路，大大提升了通信速度。所以毫米波通信的第一個特點就是：大帶寬。

大帶寬可以完成更高的通信速率。根據Ookla SPEEDTEST提供的通信速率顯示[5]，相比于4GLTE，5G Sub-6GHz網絡可提供5倍的速率提升，而5G毫米波網絡，可實現20倍速率的明顯提升。

圖：4G、5G Sub-6G以及5G毫米波下載速率對比

特點二：高分辨率

電磁波還可以用來作為雷達探測使用，通過發出電磁波信號，并且監測電磁波遇到物體之后的反射情況，就可以檢測出物體的尺寸、距離等信息。這就是雷達探測的原理。

作為雷達探測使用時，由于電磁波的衍射效應，電磁波對探測物體的分辨率和電磁波的波長呈正比：波長越短的電磁波，越能分辨出更精細的物體。于是，毫米波就被應用到雷達檢測中來。

相比于1GHz左右，波長在0.3米左右的射頻電磁波來說，位于30GHz以上的毫米波分辨率更高。車載毫米波雷達是毫米波在雷達領域的典型應用，車載毫米波雷達一般采用24GHz、77GHz以及79GHz頻段，實現最高厘米級的高精度探測。

圖：毫米波雷達在智能汽車中的應用 [6]

特點三：損耗大，易受干擾

毫米波通信也有缺點，就是路徑損耗大，易收到干擾。

根據Friis信號傳輸公式，在傳輸距離一定時，電磁波的損耗與波長尺寸呈正比：波長越短的電磁波，路徑損耗越大。

路徑損耗過大就使得毫米波通信無法傳輸足夠遠的距離。例如，對于1GHz移動通信，通信基站的覆蓋范圍可達到數公里范圍。而對于毫米波，覆蓋范圍就快速縮小至數百米。這就對基站的部署提出了更高的要求。

除了路徑損耗外，毫米波還容易受到物體遮擋的干擾。毫米波由于波長短，厘米尺寸的物體就會對信號形成遮擋和反射，這個特點在雷達檢測中是優點，但在移動通信中卻是致命缺點。造成毫米波只能用做“視距傳輸”，而無法進行繞射傳輸。

圖：毫米波傳輸，容易受到物體干擾

特點四：電路尺寸小

在射頻微波電路的實現中，所用到的元器件值通常與電路工作的波長呈正比、頻率呈反比。于是，工作在更高頻率的毫米波電路通常可以做到更小的尺寸，這在一定程度上降低了電路成本，同時也為后續的相控陣技術提供了基礎。

文獻[7]中展示了工作于24GHz的4通道毫米波相控陣完整發射機系統，整個系統包含本振、上變頻器、功率放大器等各個模塊，并且包含4個通道數。如此復雜的通信系統在2.1mm x 6.8 mm的芯片下即可實現，只有一粒大米大小。

圖：4通道24GHz毫米波系統

? ?什么是相控陣？?

相控陣（Phased Array）技術是控制陣列天線各單元的相位、幅度，來形成對信號空間波束控制的技術。

相控陣技術起源于20世紀初發明的相控陣天線技術，并最早在軍用雷達技術中得到了廣泛應用和迅速發展。進入21世紀后，隨著民用電磁波頻率的不斷提高，相控陣技術在民用技術中也開始嶄露頭角。

在相控陣技術中，有兩個重要的技術概念，分別是“相控”和“陣”。以下分別就這兩個概念進行討論。

“陣”的引入：實現定向收發

在天線“陣”被發明之前，電磁波的輻射通常被認為是向外接近全向輻射的：發射信號能量以接近球面的方式向外擴散。根據能量守恒，發射距離越遠，球面半徑越大，單位面積得到的能量越小。當能量小到一定程度，接收機將無法接收到有用信號。這就是空間傳輸中“路徑損耗”的主要來源之一。

當然可以用增大接收面積來接收更多的能量，很多球面天線就是采用這樣的原理，但這樣做的結果是球面面積大，并且球面始終需要對準發射源，不適用于發射、接收快速運用的場景。

圖：（a）全向輻射的電磁波，（b）增大天線面積來接收更多信號

于是，天線“陣”就被發明了出來。

天線陣是諾貝爾物理學獎獲得者，著名物理學家卡爾·費迪南德·布勞恩（KarlFerdinand Braun，1850年6月6日－1918年4月20日）于1905年所發明的。布勞恩是陰極射線管的發明者，同時也是無線通信技術的先驅者。1909年，因為在無線電報技術中的貢獻，布勞恩與馬可尼分享了當年的諾貝爾物理學獎。

在獲得諾貝爾獎時，布勞恩表示：“我心之所往的，就是將電磁波只向一個方向傳播” [8]。只向一個方向傳輸的電磁波可以避免無謂的損耗，并且單方向的傳輸能量更強，傳播距離也更遠。

圖：卡爾·費迪南德·布勞恩，1905年天線陣系統發明者

布勞恩設計的天線陣系統包含3根垂直單極天線，分別放置于等邊三角形的三個頂點處，兩兩相距1/4波長。通過控制輸入信號的相位，就可以實現三根天線發出的信號在三個方向上的疊加情況，從而實現天線向三個方向的分別定向發射。

圖：1905年布勞恩發布的天線陣系統，及其遠場輻射圖

天線陣技術被發明后，受到了軍方極大的關注。其定向發射接收、不需要物理轉向調節、傳播距離遠等特性非常適用于軍用雷達領域。于是在1920年左右，美國、德國等國家開始研究將天線陣應用于軍事雷達中。在1941年，美方將天線陣雷達SCR-270系統部署于珍珠港[9]，該系統包含由32根天線構成的天線陣列。雖然這個雷達系統并沒有阻止住日本的攻擊，但天線陣雷達的可行性得到了完整驗證。在現代軍用系統中，相控陣系統已經得到的廣泛應用。

圖：（a）美軍1941年在珍珠港部署的SCR-270天線陣雷達系統
（b） 俄羅斯米格-35戰斗機裝備的甲蟲-AE相控陣雷達系統

“相控”技術：控制瞄準方向

天線陣的引入為電磁波的定向收發提供基礎，但實現方向的控制與掃描，還需要引入“相位控制”技術，也就是“相控”。

以接收信號時舉例，但天線陣系統進行信號接收時，由于進入各天線的信號經過的傳輸路徑不同，如果直接相加，并不能實現信號的完美加和。這個時候，就需要將各路信號進行移相對齊后，再疊加起來。這個移相對齊的過程，就稱為“相控”。通過控制不同通路間的相位關系，就可以接收不同位置發出來的電磁波信號。

圖：接收通路中的相位控制

在發射信號時也是一樣，通過對輸入信號的相位設計，可以控制輸出信號在哪個方向進行疊加。如此，如果需要變換發射角度時，只需要改變各信號的相位差。這樣就建立起信號發射角度與相位之間的聯系。

為簡單描述，以兩天線組織的陣列分析如下圖所示，當兩天線發出的信號之間相位無偏移時，兩天線發出的信號在中間對稱處疊加，而在其他位置抵消，信號集中于垂直方向發射；當兩天線信號有相位差時，以天線1的相位延遲大于天線2為例，天線2發出的信號超前于天線1，此時疊加方向向左傾斜。通過控制天線1與天線2之間的相位差，即對發射信號的波束方向進行控制。因為這種技術像是在對波束形狀進行賦形，所以也被稱為“波束賦形（Beam forming）”技術。

圖：通過兩天線間信號相位差，對發射波束形狀進行控制

“移相”的實現

由于各信號的“相位”與信號的發射方向、疊加強度直接相關，所以“移相”功能是相控陣系統中非常重要的功能模塊。在現代相控陣系統中，移相功能通常由移相器電路實現。

顧名思義，移相器就是實現信號相位變化的電路，通過信號延遲、信號疊加等方式，使輸入信號產生相移，從而改變輸入信號的相位。

一般在電路實現上，分為無源移相和有源移相兩種。兩種移相方式常見的電路結構與特點如下。

表：不同移相器的架構及特點

相控陣系統的分類

在相控陣系統分類中，主要分為無源相控陣和有源相控陣兩種。

圖：無源相控陣系統，及有源相控陣系統架構

兩種系統都可以實現定向收發的天線陣，在實現上，無源相控陣系統的陣列由無源天線+移相器部分實現，信號的接收和發射均由中央接收機和發射機來實現。在有源相控陣雷達中，每個輻射器均配置有獨立的有源接收/發射組件。

有源相控陣系統中，由于功率源前置至天線陣元，雷達系統更為穩定。并且因為每個通道上均有T/R組件，即使有少量的T/R組件損壞，整體性能也不會受到明顯影響。由于每個通道可以獨立工作，還可以對有源相控陣系統的單元組件進行分組，實現多目標同時跟蹤等特性。

雖然無源相控系統只有一個發射接收組件，實現相對簡單，成本也相對更低，但有源相控陣系統應用靈活、可靠性高，在雷達、無線通信中的應用更為廣泛。

有源相控陣系統架構

相控陣系統實現中，最主要的功能就是實現移相。根據移相器在系統中所處的位置，有源相控陣系統可以分為如下三種架構 [10]。分別為：

射頻移相架構

本振移相架構

數字移相架構

三種架構的實現方式和優缺點對比如下。

表：有源相控陣的系統架構

在以上架構中，射頻移相架構是當前應用較為廣泛的實現架構。

毫米波+相控陣：優劣互補，相得益彰

以上分別討論了毫米波、相控陣兩大技術。雖然二者是獨立的兩大技術，但在使用中，經常將二者結合使用，兩種技術相得益彰，實現優勢互補：

毫米波技術的特點是帶寬大，但其路徑損耗大、傳播距離短，利用相控陣技術的波束聚焦功能，剛好可以將毫米波實現定向發射，增大傳輸距離。

相控陣系統優點是可實現信號的定向發射，但由于需要幾十甚至成百上千個陣列，造成電路面積增大。而毫米波電路面積小這個優勢，剛好可以用于實現大規模陣列。

于是，“毫米波相控陣”這一組合相輔相成，在一些特定應用領域所向披靡。

毫米波相控陣系統應用

5G手機

毫米波相控陣技術離我們并不遙遠，不少5G手機中已經裝備了此項技術。

在2020年10月份，蘋果公司發布的iPhone 12中，北美版本中就加入了毫米波支持。iPhone 12采用高通的毫米波方案，在手機頂部及側面分別部署4天線毫米波陣列，實現毫米波信號的收發功能 [11]。

根據蘋果公司提供的數據顯示，搭載毫米波技術的iPhone 12，最高可實現4Gbps的峰值下行速率。

圖：搭載高通毫米波相控陣方案的iPhone 12手機（美版）

車載毫米波雷達

車載毫米波雷達的工作原理是向被探測物體發射毫米波電磁波信號，并接收從目標反射回來的反射波，通過計算發射和接收信號的時間差，就可以對被測物體進行探測。

圖：典型車載雷達工作原理 [12]

在實現方式上，車載毫米波雷達也需要借助毫米波相控陣技術，利用多天線陣列的方向，實現毫米波信號的精準賦形，實現對物體的精準探測。

下圖為24GHz車載毫米波雷達的實現方案之一，在接收通路中，采用了4通道相控陣列的方式進行設計 [12]。

圖：24GHz車載毫米波相控陣雷達系統

衛星通信

衛星通信是現在無線通信研究的一大熱點，尤其是低軌衛星領域，由于其低延時、大帶寬的特性，可以作為蜂窩通信很好的補盲使用。

雖然衛星通信有不受地理位置限制的優點，但實現起來并不容易。即使對于低軌衛星，其距離地球的距離也在1,000公里量級，基本相當于北京到上海的距離。而普通的地面蜂窩基站的傳輸距離只有數公里。想要在地面到衛星這種距離范圍內直接建立信號連接并不容易，需要有高的發射功率，或者采用定向性強的發射系統。

另外，衛星的快速運轉也給地空連接提出挑戰。低軌衛星繞地球一圈的時間大約只有100分鐘左右。如果以60度的可視角度計算，每一顆衛星在視角范圍內的時間只有17分鐘。并且衛星還在以每小時3萬公里的速度快速飛行。這就需要地面站必須要有信號波束的快速掃描特性。

毫米波相控陣系統的波束定向性，以及電子相位控制的快速掃描特性剛好可以在衛星通信中一顯身手。在SpaceX公司星鏈系統中，就使用了工作于毫米波的相控陣系統。

圖：星鏈系統所使用的地面站以及低軌衛星系統

星鏈系統將其地面站稱為Starlink Dish（星鏈盤），其直徑為58.9厘米，外觀類似于一個圓盤。在圓盤中，密集排列著1,280個天線陣列單元[13]。通過下層連接的移相控制以及射頻收發電路，實現高指向和快速掃描的毫米波相控陣系統，完成以550公里以外，3萬公里/小時快速移動的衛星連接。

圖：星鏈系統地面收發裝置構成

? ? 總? 結? ??

自19世紀末電磁波被發現以來，無線通信技術迅速發展。經過100多年的發展，無線通信技術已經不再是單純的“收”、“發”這么簡單，而是借助于不同頻率、不同信號，甚至不同的天線技術完成強大的無線通信功能。

毫米波相控陣系統是無線通信技術發展中有代表性的技術突破，通過對大規模天線陣中輸入信號的相位控制，實現了大帶寬毫米波信號的定向傳輸，解決了毫米波信號路徑損耗大的難題。

在2020年之前，對于毫米波相控陣系統的研究主要集中于軍用、學術領域。在2020年之后，隨著民用5G通信、智能汽車用毫米波雷達、民用衛星通信的發展，毫米波相控陣系統開始在民用領域逐漸普及。

2023年，是時候了解“毫米波相控陣”技術了。慧智微期待和您一起，把握最新的無線互聯技術。努力“化繁為簡，使一切智慧互聯”。

參考文獻： ? [1].??工業和信息化部關于微波通信系統頻率使用規劃調整及無線電管理有關事項的通知，https://www.miit.gov.cn/jgsj/wgj/wjfb/art/2023/art_64d4ec639a634b51a37b546ff94a7708.html，2023/1/4

[2].Cellular Broadband Device &Module Market, 2022, TSR

[3].ICV: Automotive MMW RadarMarket Research Report for 2022 H1

[4].衛星互聯網開始加速， 關注低軌衛星產業鏈機會，國信通信，2022/10/30 [5].https://www.speedtest.net/

[6].New Radar Applications Drivenby Technology, Pasternack, Microwave Journal, 2017。

[7].A. Natarajan, A. Komijani andA. Hajimiri, "A fully integrated 24-GHz phased-array transmitter inCMOS," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 40, no. 12, pp.2502-2514, Dec. 2005

[8].Phased array on a fingertip,Thomas F. Krauss, Nature, 2013

[9].SCR-270/SCR-271 Radar, https://pacificeagles.net/scr-270-scr-271-radar/

[10].面向射頻移相架構相控陣，權星，2018

[11].Elaboration on iPhone 12 5G antennas, https://www.reverse-costing.com/teardown-notes/elaboration-iphone-12-5g-antennas/

[12].A K-Band Portable FMCW Radar with Beamforming Array for Short-RangeLocalization and Vital-Doppler Targets Discrimination, IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques, 2017

[13].Starlink dish teardown, https://mobillegends.net/starlink-dish-teardown-part-1-spacex-bugbounty-is-open-during

[14].https://www.nonstopsystems.com/radio/frank_radio_antenna_yagi.htm

編輯：黃飛

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