實力相控!新一代稀布相控陣天線問世,有望破解兩大瓶頸難題

                          第134期 相控陣天線,Massive,MIMO,瓶頸難題, 2017-11-14 19:39:48
                          來源:科技日報—中國科技網
                          作者: 編輯:桂楷東
                          【編者按】

                          近年來,相控陣技術在國防領域的雷達、通信、電子戰、導航等領域獲得了廣泛應用的同時,也在衛星通信、5G無線通信、氣象水文、地球勘探、低軌小衛星通信網絡乃至生物醫學等民用領域開始使用。特別是5G無線通信領域Massive MIMO (大規模多入多出)天線的應用,把相控陣技術推向了廣泛應用的特別高度,成為各國爭相研發的重點。11月13日,在西安安列德電子科技有限公司技術暨產品發布會上。本網獨家采訪了中國工程院院士,安徽理工大學副書記,副校長袁亮;美國數學終身教授、西安電子科技大學任兼職教授、博士生導師李世東教授等相關院士專家,共同揭秘相控陣天線。本期熱點聚焦我們來關注相控陣天線的前世今生。

                          什么是相控陣天線?天線陣、饋電網絡和波束控制器為核心部件

                          “一說到相控陣天線,大家的第一印象就是軍事雷達通信,然而相控陣天線在民用領域也是應用廣泛”。美國數學終身教授、西安電子科技大學任兼職教授、博士生導師李世東教授介紹,相控陣天線是目前衛星移動通信系統中最重要的一種天線形式,由天線陣、饋電網絡和波束控制器三個部分組成。

                          據介紹,相控陣天線的基本原理是微處理器接收到包含通信方向的控制信息后,根據控制軟件提供的算法計算出各個移相器的相移量,然后通過天線控制器來控制饋電網絡完成移相過程,從而實現波束掃描和跟蹤。相控陣天線有相控掃描線天線陣和平面相控陣天線。

                          李世東教授介紹,與傳統的機械拋物面天線不同,相控陣天線沒有任何運動部件,可靠穩固。它可以在設定的空域內以光速獲取用戶或目標信息,根據用戶或目標的需求,用電子控制,以光速靈活的改變天線磁場波束和指向的形狀,能夠對整個空間內的各頻段電磁波進行發送和接收,這體現了相控陣天線的空域電子掃描功能,即可對多個用戶或目標實現通信交互,搜索、識別、捕獲、跟蹤等任務的精確完成。

                          巨額成本、散熱難,成為制約相控陣大規模應用的兩大瓶頸難題

                          隨著有源相控陣天線的發展和相應 T/R組件集成度的不斷提高,高熱流密度和狹小散熱空間導致的散熱問題也日益凸顯。傳統的散熱手段已不再能滿足未來有源相控陣天線的散熱要求。盡管相控陣天線具有諸多優越性,但相控陣天線的制作成本昂貴,散熱極端難,是制約其廣泛應用的主要障礙。

                          如何有效解決巨額成本和散熱難這兩大難題呢?

                          “采用超級稀疏設計,將傳統半波長布陣所需的912陣元數量大幅降至128陣元和通道,不僅解決了傳統高頻段相控陣天線固有的散熱難題,降低了制造加工難度。”李世東教授利用所學專長(數學與通信),跨學科融合,通過建立多維數學模型,突破了傳統電磁場理論的固籍,創造性地研究出一套“空間優化采樣法”,將該方法應用于稀布、立體的相控陣天線設計與制造,創造性的推出了超薄S波段相控陣(衛星通信)動中通天線、5G 無線通信Massive MIMO基站天線和Ka波段環形超稀疏相控陣天線等新一代產品,可使成本降低50%并有效解決散熱等難題。為我國各類通信技術的提升做出了重要貢獻。

                          Massive MIMO天線為相控陣天線在無線通信中找到新用武之地

                          “基于多輸入多輸出(MIMO)相控陣天線的波束成形技術似乎形成了整個5G蜂窩技術的一個組件。雖然多年來相控陣一直是雷達的基礎部件,但它們正在無線通信中找到新的用武之地”。在李世東教授眼里,相控陣天線在探測、制導、特殊通信等領域,尤其在下一代移動通信5G基站的應用方面,將產生巨大的效益。Massive MIMO 主要研究點在于信號處理,因此屬于通信,天線設計也是重要部分,但嚴格的說天線也屬于通信范疇。

                          “Massive MIMO相控陣天線是5G無線通信網絡的關鍵,其造價是5G基站系統的1/3左右。”李世東教授介紹,稀布Massive MIMO 天線對5G網絡總成本的降低程度相當可觀,通過減少陣元或者通道數量,使MIMO天線成本得以降低。天線減小了通道數,便減小了相應的信道矩陣的維數,從而簡化了信號處理的算法。

                          除此之外,李世東教授還介紹稀布Massive MIMO通過減少A/D(模擬到數字)轉換器和 DSP(數字信號處理器)的個數,進一步降成本,真正實現基站系統造價的1/3左右。

                          院士點評:新一代天線在各個領域發揮創新引領作用

                          一分耕耘,一分收獲。

                          我與李世東教授是中學同學,他本科碩士學的是電氣自動化、電力電子,到了美國以后改學數學,從知識挑戰層面這個跨度非常大。近年來,按照國家創新發展需求,李世東教授有著強烈的報國之心,將在美國學到的知識奉獻給祖國。

                          多年以來,李世東教授一直從事應用數學和信號處理的研究,并在以上兩個領域連續21年獲得和主持美國自然科學基金、美國空軍研究基金的科研項目,擁有相控陣天線設計的兩項國際專利。

                          聽完李世東教授關于相控陣天線的介紹,我個人認為有系統的創新,這是未來和新一代天線,首先從算法上講非常精準。第二個,這個天線它符合綠色、節能、低成本、低消耗。因此,在未來創新發展的道路上一定會越走越遠,新一代天線在各個領域也將發揮創新引領作用。(中國工程院 袁亮院士)

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