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(kāi)始了前所未有的發(fā)展，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)將主宰市場(chǎng)。

隨著新材料、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(shí)代會(huì)迎來(lái)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(dòng)中通天線相比，沒(méi)有體積龐大的伺服跟蹤系統(tǒng)，波束速度快、方向可控、可實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星，并且重量輕，可進(jìn)行大批量生產(chǎn)；毫米波有源相控陣天線不含活動(dòng)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(huì)受到影響，集成毫米波有源相控天線的終端是未來(lái)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(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

有源相控陣天線的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)是相控陣成本高，但隨著MMIC技術(shù)發(fā)展，成本會(huì)大幅降低。

（一）國(guó)內(nèi)毫米波有源相控陣天線發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)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，但近幾年發(fā)展飛速。

01

安全紫金山實(shí)驗(yàn)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(cè)試，每通道成本由1000元降至20元。同時(shí)，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(zhēng)2022年規(guī)模商用于5G系統(tǒng)。

02

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?yán)走_(dá)等。

03

若森智能：輕型相控陣衛(wèi)星通信天線

04

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

該樣機(jī)工作在35GHz波段，通過(guò)超稀疏設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的912陳元數(shù)量大幅降至僅需128陳元，大幅度縮減了后端通道數(shù)量，留下了充足的空間來(lái)解決高頻下的散熱問(wèn)題。射頻通道數(shù)量的大幅度減少，節(jié)省了近800萬(wàn)元的元器件成本。其充足的內(nèi)部空間降低了設(shè)計(jì)加工難度、亦可進(jìn)一步加裝相關(guān)裝置，下圖為樣機(jī)實(shí)體。

05

中實(shí)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(shù)，電控自動(dòng)掃描，掃描范圍120度錐角，波束切換時(shí)間小于3ns，適用于低軌衛(wèi)星地面終端，便攜站等應(yīng)用場(chǎng)合。

06

中國(guó)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(jī)，采用64元微帶陣列天線形式，性能指標(biāo)未公布。

中國(guó)電科研制的毫米波相控陣天線原理樣機(jī)

07

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(jī)

08

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(jì)，實(shí)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(shí)現(xiàn)多種環(huán)境下的快速運(yùn)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(kāi)發(fā)和測(cè)試無(wú)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。

北京某公司研制的毫米波相控陣天線

（二）國(guó)外毫米波有源相控陣天線發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外有源相控天線的發(fā)展比國(guó)內(nèi)成熟，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、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(dòng)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(gè)單元，超過(guò)500個(gè)單元分布在經(jīng)過(guò)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(lái)構(gòu)建Phasor的相控陣天線，擁有前所未有擴(kuò)展能力。Phasor獨(dú)特的設(shè)計(jì)將能夠生產(chǎn)出形狀適應(yīng)性強(qiáng)，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(diǎn)，并且能夠以非常高的增益提供超過(guò)100Mbps的寬帶速度。

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(jī)械部件來(lái)動(dòng)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(dòng)識(shí)別和跟蹤，可以廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域。

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(cè)試了其16×16子陣列相控陣天線，此次測(cè)試為2018年底前在兩顆低地球軌道衛(wèi)星的演示做好了準(zhǔn)備。在2016年5月，C-COM基于其專利移相器技術(shù)，成功測(cè)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(qiáng)等特點(diǎn)。初步結(jié)果令人振奮，即使幾個(gè)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(huì)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(jī)等載體。這一新系統(tǒng)及其對(duì)更高的毫米波頻段的擴(kuò)展能力也使其在將來(lái)可以在5G及毫米波汽車?yán)走_(dá)等電信領(lǐng)域得到應(yīng)用。

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(shí)物，如圖4所示。

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

Anokiwave研制的毫米波相控陣天線

二、毫米波有源相控陣技術(shù)趨勢(shì)