了解毫米波“移相”--之三

了解毫米波“移相”--之三
“移相”的实现由于各信号的“相位”与信号的发射方向、叠加强度直接相关，所以“移相”功能是相控阵系统中非常重要的功能模块。在现代相控阵系统中，移相功能通常由移相器电路实现。顾名思义，移相器就是实现信号相位变化的电路，通过信号延迟、信号叠加等方式，使输入信号产生相移，从而改变输入信号的相位。一般在电路实现上，分为无源移相和有源移相两种。两种移相方式常见的电路结构与特点如下。
表：不同移相器的架构及特点相控阵系统的分类在相控阵系统分类中，主要分为无源相控阵和有源相控阵两种。

表：有源相控阵的系统架构在以上架构中，射频移相架构是当前应用较为广泛的实现架构。毫米波+相控阵：优劣互补，相得益彰以上分别讨论了毫米波、相控阵两大技术。虽然二者是独立的两大技术，但在使用中，经常将二者结合使用，两种技术相得益彰，实现优势互补：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阵列。于是，“毫米波相控阵”这一组合相辅相成，在一些特定应用领域所向披靡。毫米波相控阵系统应用5G手机毫米波相控阵技术离我们并不遥远，不少5G手机中已经装备了此项技术。在2020年10月份，苹果公司发布的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，在手机顶部及侧面分别部署4天线毫米波阵列，实现毫米波信号的收发功能 。根据苹果公司提供的数据显示，搭载毫米波技术的iPhone 12，最高可实现4Gbps的峰值下行速率。
图：搭载高通毫米波相控阵方案的iPhone 12手机（美版）车载毫米波雷达车载毫米波雷达的工作原理是向被探测物体发射毫米波电磁波信号，并接收从目标反射回来的反射波，通过计算发射和接收信号的时间差，就可以对被测物体进行探测。
图：典型车载雷达工作原理在实现方式上，车载毫米波雷达也需要借助毫米波相控阵技术，利用多天线阵列的方向，实现毫米波信号的精准赋形，实现对物体的精准探测。下图为24GHz车载毫米波雷达的实现方案之一，在接收通路中，采用了4通道相控阵列的方式进行设计 。

图：星链系统所使用的地面站以及低轨卫星系统星链系统将其地面站称为Starlink Dish（星链盘），其直径为58.9厘米，外观类似于一个圆盘。在圆盘中，密集排列着1,280个天线阵列单元。通过下层连接的移相控制以及射频收发电路，实现高指向和快速扫描的毫米波相控阵系统，完成以550公里以外，3万公里/小时快速移动的卫星连接。
图：星链系统地面收发装置构成总 结自19世纪末电磁波被发现以来，无线通信技术迅速发展。经过100多年的发展，无线通信技术已经不再是单纯的“收”、“发”这么简单，而是借助于不同频率、不同信号，甚至不同的天线技术完成强大的无线通信功能。毫米波相控阵系统是无线通信技术发展中有代表性的技术突破，通过对大规模天线阵中输入信号的相位控制，实现了大带宽毫米波信号的定向传输，解决了毫米波信号路径损耗大的难题。在2020年之前，对于毫米波相控阵系统的研究主要集中于军用、学术领域。在2020年之后，随着民用5G通信、智能汽车用毫米波雷达、民用卫星通信的发展，毫米波相控阵系统开始在民用领域逐渐普及。
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