一種促使相控陣大規(guī)模應(yīng)用的新技術(shù)和檢驗(yàn)案例

一種促使相控陣大規(guī)模應(yīng)用的新技術(shù)和檢驗(yàn)案例李世東，西安電子科技大學(xué)華山學(xué)者講座教授技術(shù)特點(diǎn)概述:新型、最優(yōu)相控陣布陣設(shè)計(jì)和加工結(jié)論都是稀布的大幅度降低成本或提高增益解決了緩熱的難度更高的可靠性多維框架理論數(shù)學(xué)模型（立體或平面）What？前言傳統(tǒng)和優(yōu)化陣列的對(duì)比傳統(tǒng)新技術(shù)PART01關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)PART02技術(shù)驗(yàn)證和專家認(rèn)定PART03Ka波段超稀布天線樣機(jī)

CONTENTS目錄PART05技術(shù)適用的領(lǐng)域PART06新技術(shù)在5G中的好作用PART01關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)數(shù)學(xué)框架是函數(shù)空間里基的延伸：

框架也是用來表達(dá)一個(gè)函數(shù)，但框架一般具有冗余性。冗余使得函數(shù)的表達(dá)變的靈活，從而有優(yōu)化的可能。陣列波賦形，無外乎就是函數(shù)空間中對(duì)函數(shù)的刻畫。從框架理論來看，傳統(tǒng)的半波長分布的陣列布局，用來合成這個(gè)子空間里的函數(shù)，一般都是有冗余的?？梢院喕蛢?yōu)化！

陣列和賦形–Aframetheoreticalpointofview關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)TR組件過于昂貴是相控陣難以得到廣泛應(yīng)用的最大障礙。新技術(shù)下，陣元個(gè)數(shù)可以只是傳統(tǒng)半波長滿布陣的50%–

同樣孔徑，同樣的±60°掃描。整個(gè)掃描空域內(nèi)，增益沒有明顯變化。副瓣變的更低

–等幅、相掃加權(quán)，無需特殊加權(quán)。造價(jià)因此可降低50%–

不管TR的價(jià)格在大批量生產(chǎn)下，降到什么價(jià)位。陣元個(gè)數(shù)可以降到半波長滿布陣的13%（更低的造價(jià)）

–如果掃描的空域角度為±30°。增益只降大致3dBi（傳統(tǒng)理念下，陣元降低到13%，陣因子會(huì)降低8.86dBi）關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)（續(xù)）滿布陣散熱難，是相控陣廣泛應(yīng)用的另一技術(shù)難題和障礙。

新技術(shù)下，減少了熱源數(shù)，大幅度降低了高頻下相控陣熱設(shè)計(jì)

–有了方便的空間。5G無線通信中的基站天線需要連續(xù)工作，散熱變得更為關(guān)鍵。天線的可靠性提高了。減少了A/D轉(zhuǎn)換器和DSP部件的數(shù)量，進(jìn)一步降低造價(jià)–因?yàn)橥ǖ罃?shù)減少了。簡化了后方信號(hào)處理的復(fù)雜性–同樣是因?yàn)橥ǖ罃?shù)的減少。關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)（續(xù)）大幅度降低了天線的重量和天線占用空間

–這對(duì)衛(wèi)星上和5G基站相控陣的應(yīng)用有著很大意義。特別適用于寬帶、超寬帶陣列天線的設(shè)計(jì)

–為29所設(shè)計(jì)了一款兩倍頻的相控陣?？梢栽O(shè)計(jì)雙頻共陣

–后續(xù)有2倍頻，和7倍頻案例的介紹。PART02

技術(shù)的驗(yàn)證情況

技術(shù)驗(yàn)證情況走訪了40余家研究所、私人企業(yè)和著名專家。得到近10家獨(dú)立、第三方驗(yàn)證。包括電子科技集團(tuán)、航天科技集團(tuán)、兵器工業(yè)集團(tuán)、船舶重工集團(tuán)等旗下相關(guān)研究所，如38所、206所、704所、35所、10所、29所、54所、51所，503所、504所，航天城空間中心，雷達(dá)威力，盟升電子，大學(xué)院校，等相關(guān)單位。獲5份第三方正式驗(yàn)證報(bào)告–技術(shù)獲得肯定和技術(shù)人員的鼓勵(lì)。因此，應(yīng)該能夠推動(dòng)相控陣的廣泛應(yīng)用，尤其在5G基站天線中有不錯(cuò)的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)驗(yàn)證情況新技術(shù)設(shè)計(jì)(18個(gè)陣元)HFSS驗(yàn)證結(jié)果單元模型陣列模型72%稀疏陣（滿布陣抽?。?為成都某單位設(shè)計(jì)等幅加權(quán)，相掃(續(xù)）72%稀疏陣：HFSS仿真結(jié)果(續(xù)）72%稀疏陣：HFSS仿真結(jié)果等幅加權(quán)，相掃(續(xù)）稀疏陣：HFSS仿真結(jié)論小結(jié)

HFSS驗(yàn)證:50%稀布PART03

天線樣機(jī)的研制Ka毫米波超稀疏相控陣天線樣機(jī)超稀疏設(shè)計(jì)–將傳統(tǒng)半波長滿布陣的950陣元，大幅降至128陣元。解決了散熱難題。降低了制造加工難度?？s減了近800+萬元的TR組件成本?？捎糜谔綔y、制導(dǎo)、特殊通信等領(lǐng)域。尤其可用在5G移動(dòng)通信基站天線上。在通信、探測、制導(dǎo)等領(lǐng)域均可廣泛使用，5G移動(dòng)通信基站也可應(yīng)用。105mm156mm投圖前最后的HFSS結(jié)論128個(gè)單元增益=31.20dB副瓣=-18.26dB等幅同相加權(quán)！投圖前最后的HFSS結(jié)論掃描20度增益

=29.62dB副瓣=-16.62dB等幅加權(quán)，相掃！對(duì)比：最新報(bào)道的環(huán)陣對(duì)比:最新報(bào)道的環(huán)陣的HFSS結(jié)論300個(gè)單元增益<30.75dB新技術(shù)適用的領(lǐng)域PART4新技術(shù)適用的領(lǐng)域領(lǐng)域二Ka，S動(dòng)中通天線領(lǐng)域一5G無線通信領(lǐng)域四超稀疏相控陣氣象雷達(dá)衛(wèi)星通信的動(dòng)中通天線。需要大角度掃描，但要薄。新技術(shù)可以做到薄和低成本。提高預(yù)報(bào)精度的答案，就是使用相控陣天線，用電掃。機(jī)械式的拋物面天線，轉(zhuǎn)動(dòng)掃描太慢。特大型的相控陣氣象雷達(dá)太貴。日本在嘗試，美國在關(guān)注。新技術(shù)用在這里，造價(jià)可以是傳統(tǒng)相控陣天線的10％~20%使氣象雷達(dá)中使用相控陣變成可能。國內(nèi)市場需求很大。低成本，易散熱，尤其在Ka波段。減少了一半的信號(hào)通道數(shù)?；蛞酝瑯映杀竞托盘?hào)通道數(shù)，以稀布提高增益。新技術(shù)適用的領(lǐng)域巨大領(lǐng)域三雷達(dá)天線雷達(dá)天線

相控陣的應(yīng)用更是不用說。5G領(lǐng)域應(yīng)用的潛力新技術(shù)對(duì)接5G基站中的MIMO相控陣天線的可行性很大。而且市場需求非常大。后續(xù)有新技術(shù)用在5G中的作用的分析。新技術(shù)在5G中的好作用PART5新技術(shù)在5G中的好作用5G網(wǎng)絡(luò)總成本的降低程度可以很可觀。減少陣元(通道)個(gè)數(shù)

相控陣天線成本降低。減少了A/D轉(zhuǎn)換器和DSP個(gè)數(shù)，進(jìn)一步降成本。簡化了信號(hào)處理的算法。陣列增益可提高一倍(或3dB)

–相同通道數(shù)(成本)和掃描角度下。在傳輸質(zhì)量不變的情況下，可以實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)綠色亮點(diǎn)和2個(gè)技術(shù)優(yōu)勢。綠色亮點(diǎn)1：降低一半的基站發(fā)射功率，從全國（乃至全球）來看，能耗的減少意義重大。綠色亮點(diǎn)2：大幅度減少對(duì)人體的輻射，其意義或許是不可估量地重大。

綠色亮點(diǎn)3：5G用戶終端的發(fā)射功率也得以降低

–因?yàn)榛咎炀€增益的提高。進(jìn)而減少終端的功耗，有實(shí)際產(chǎn)品需求！并對(duì)環(huán)保、節(jié)能意義同樣非凡。

新技術(shù)在5G中的好作用(續(xù))技術(shù)亮點(diǎn)1：可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整發(fā)射功率，進(jìn)而大幅度提高通信帶寬。技術(shù)亮點(diǎn)2：增益提高了一倍（3dB），卻同時(shí)簡化了散熱的難度，簡少了數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)，簡化了信號(hào)處理的復(fù)雜度，并同時(shí)大幅度減小了天線體的重量。結(jié)合1和2兩點(diǎn)，既可節(jié)省些成本，也可提高些增益（小于3dB）。從而同時(shí)享受上述的綠色亮點(diǎn)和技術(shù)亮點(diǎn)。結(jié)合新技術(shù)，從國家標(biāo)準(zhǔn)上，提高5G基站天線的增益指標(biāo)？比如，把現(xiàn)有的天線增益指標(biāo)提高3dB，因此，可同時(shí)降低一半發(fā)射功率（-3dB）。新技術(shù)下造價(jià)和通道數(shù)不變，但增益提高3dB，具有低能耗，低輻射等綠色優(yōu)勢【在±60°掃描要求下

，若增益高3dB，傳統(tǒng)方法的造價(jià)將是新技術(shù)產(chǎn)品的2+2倍(2倍TR價(jià)格+2倍A/D轉(zhuǎn)換器和DSP的價(jià)格)】。再比如，降低終端設(shè)備的能耗標(biāo)準(zhǔn)。這是用戶市場需求很嚴(yán)峻的一個(gè)亮點(diǎn)。

2倍頻雙頻共陣紅點(diǎn)代表Ku的陣元綠點(diǎn)代表Ka的陣元紅點(diǎn)代表Ku的陣元綠點(diǎn)代表Ka的陣元2倍頻雙頻共陣@Ka高頻2倍頻雙頻共陣@Ku低頻

7倍頻雙頻共陣Ku和大S共陣

7倍頻雙頻共陣@Ku高頻

7倍頻雙頻共陣@大S低頻技術(shù)推廣現(xiàn)狀現(xiàn)有合作：38所，提供一個(gè)“只調(diào)相”的副瓣抑制方案（圓弧陣），副瓣較傳統(tǒng)技術(shù)降了近3dB.35所的樣機(jī)和實(shí)測（與設(shè)計(jì)吻合）；54