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技术资讯 I 相控阵天线:原理、优势和类型

2023-01-16 14:18
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以下文章来源于Cadence楷登PCB及封装资源中心 ,作者Cadence

本文要点


  • 相控阵天线是一种具有电子转向功能的天线阵列,不需要天线进行任何物理移动,即可改变辐射信号的方向和形状。这种电子转向要归功于阵列中每个天线的辐射信号之间的相位差。

  • 相控阵天线的基本原理是两个或多个辐射信号出现依赖相位的叠加。当信号同相时,它们会结合在一起,形成一个幅度相加的信号。当信号反相时,它们会相互抵消。

  • 共有三种类型的相控阵天线:线性阵列、平面阵列、 频率扫描阵列。

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相控阵天线在 5G 通信技术中的应用日益普及


您是否观察过蚂蚁搬运方糖的过程?与蚂蚁的体型相比,方糖的尺寸要大得多。自然界中蚂蚁的这种行为证明,一支军队朝着同一方向合作,可以在更短的时间内达成同一目标。


在无线传输中,天线阵列的功能也基于同样的理念:人多力量大。相控阵天线就是根据这一原理运行的,与单个天线相比,它们的信号强度、增益、指向性和性能会更好一些。

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01

相控阵天线是如何工作的?


相控阵天线包括多个发射器,用于高频射频应用中的波束成形。相控阵天线有三个常见的应用领域:WiFi、啁啾雷达和 5G。相控阵天线中的发射器数量可以从几个到几千个不等。使用相控阵天线的目的是利用两个或多个辐射信号之间的建设性干扰来控制发射波束的方向。这在天线界称为“波束成形”。


相控阵天线通过调整发送到阵列中每个发射器的驱动信号的相位差来实现波束成形。因此,不需要天线进行任何物理移动,就可以控制辐射方向,使其指向一个目标。这意味着沿某一特定方向的波束成形是全向发射器之间的干扰效应,例如 WiFi 中使用的偶极子天线。

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这种相控阵天线包含多个发射器,产生一个高度定向的辐射方向。


当相控阵中每个发射器发射的信号完全同相时,它们会发生建设性干扰,产生强烈的辐射,但这只发生在特定的方向上。这个方向是通过设置发送到不同发射器的信号之间的相移来控制的。要控制相移,对于发送到阵列中一系列连续发射器的信号,需要在它们之间设置一个轻微的时间延迟。在主波束发射方向之外,波束强度下降。由于信号是周期性的,所以在波束方向图中也会存在旁瓣,但确实可以沿着一个特定的方向得到一个非常强的波束。

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对比单极子天线和由单极子天线组成的相控阵天线。单极子天线在垂直于天线轴线的平面内向所有方向发射信号。当多个单极子天线构成相控阵时,波面会相互干扰,形成一个平坦的相位波面。


02

相控阵技术的优势


相控阵天线的波束成形在高频率(大约等于或高于 WiFi 频率)下是必要的,用于克服传输过程中的损失。有了大小合适的相控阵天线,高增益发射器的辐射可以指向一个广泛的立体角。


相控阵技术有助于增强集体信号或辐射方向图的特征。来自辐射器的单个信号和来自相控阵天线的集体信号的特征就像彼此分离的两极。形成阵列后,各种参数和数量都有所提升,具体可以总结为以下几点:


1. 功率:聚合信号的功率是单个信号功率的总和,因此,强度会增加。

2. 波束成形波束的形状可以由单个信号的相位差来控制,与单个天线相比,相控阵天线的辐射方向图更窄。

3. 波束转向:无需机械转向,因此波束转向或波束定位十分灵活。波束转向是通过电子可变移相器实现的。


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4. 多波束:在移相器的帮助下,相控阵天线可以合成数百个波束。

5. 可选数字/混频器方案:移相可以通过模拟或数字方式实现。模拟移相器依靠的是信号的下变频和时移。数字方式指的是对中频 (IF) 混频器或本地振荡器 (LO) 信号进行移相。

6. 重量:相控阵天线的重量比机械转向的单个天线要轻。

7. 成本:机械转向的天线可以用价格较低的相控阵天线取代,但分辨率保持不变。

8. 可靠性相控阵天线的可靠性要比单个天线高得多。如果一个阵列天线受损,阵列中的其余天线将继续运行,但辐射方向图会有轻微的改变。


03

相控阵天线的类型


根据单个天线的排列方式和移相器的数量,相控阵天线可分为三种类型。具体如下:


线性阵列


阵列元件摆放呈一条直线,有一个单相移位器。即使天线的排列很简单,但波束转向也只限于一个平面。几个线性阵列垂直排列可以形成平面天线。

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线性阵列天线


平面阵列


对于平面阵列中的每个天线,都配有一个移相器。各个天线呈矩阵排列,形成了平面排列。波束可以在两个平面上偏转。平面阵列天线的缺点是需要大量的移相器。


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平面阵列天线:a)侧视图 b)俯视图


频率扫描阵列


如果波束转向控制是发射器频率的一个函数,那么利用这种技术的相控阵天线就可称为频率扫描阵列天线。频率扫描阵列天线中没有移相器,波束转向由发射器的频率控制。


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a) 频率扫描阵列天线结构 b) 波束的传播方向


未来的 5G 通信需要运用各种关键技术,如多点接入、多波束、高增益和超密集网络。天线设计师准备利用相控阵天线来满足未来无线通信系统的要求。


值得一提的是,提供电子转向的相控阵技术是射频无线通信系统中的一项资产。有了相控阵天线,就可以在不损失分辨率的情况下以电子方式增强发射或接收波束的方向、强度和形状。


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