巨额成本、散热难,成为制约相控阵大规模应用的两大瓶颈难题

2017-11-14 19:59:47 来源: 中国科技网 作者:

实力相控!

新一代相控阵天线问世,有望破解两大瓶颈难题

/桂楷东

编者按:近年来相控阵技术在国防领域的雷达、通信、电子战、导航等领域获得了广泛应用的同时,也在卫星通信、5G无线通信、气象水文、地球勘探、低轨小卫星通信网络乃至生物医学等民用领域开始使用。特别是5G无线通信领域Massive MIMO 大规模多入多出天线的应用,把相控阵技术推向了广泛应用的特别高度,成为各国争相研发的重点。11月13日,西安安列德电子科技有限公司技术暨产品发布会本网独家采访了中国工程院院士,安徽理工大学副书记,副校长袁亮;美国数学终身教授、西安电子科技大学任兼职教授、博士生导师李世东教授等相关院士专家,共同揭秘相控阵天线。本期热点聚焦我们来关注相控阵天线的前世今生。

什么是相控阵天线

天线阵、馈电网络和波束控制器为核心部件

“一说到相控阵天线,大家的第一印象就是军事雷达通信,然而相控阵天线在民用领域也是应用广泛”。美国数学终身教授、西安电子科技大学任兼职教授、博士生导师李世东教授介绍,相控阵天线是目前卫星移动通信系统中最重要的一种天线形式,由天线阵、馈电网络和波束控制器三个部分组成。

据介绍,相控阵天线的基本原理是微处理器接收到包含通信方向的控制信息后,根据控制软件提供的算法计算出各个移相器的相移量,然后通过天线控制器来控制馈电网络完成移相过程,从而实现波束扫描和跟踪。相控阵天线有相控扫描线天线阵和平面相控阵天线。

李世东教授介绍,与传统的机械抛物面天线不同,相控阵天线没有任何运动部件,可靠稳固。它可以在设定的空域内以光速获取用户或目标信息,根据用户或目标的需求,用电子控制,以光速灵活的改变天线磁场波束和指向的形状,能够对整个空间内的各频段电磁波进行发送和接收,这体现了相控阵天线的空域电子扫描功能,即可对多个用户或目标实现通信交互,搜索、识别、捕获、跟踪等任务的精确完成。

巨额成本、散热难,

成为制约相控阵大规模应用的两大瓶颈难题

随着有源相控阵天线的发展和相应 T/R组件集成度的不断提高,高热流密度和狭小散热空间导致的散热问题也日益凸显。传统的散热手段已不再能满足未来有源相控阵天线的散热要求。尽管相控阵天线具有诸多优越性,但相控阵天线的制作成本昂贵,散热极端难,是制约其广泛应用的主要障碍。

如何有效解决巨额成本和散热难这两大难题呢?

“采用超级稀疏设计,将传统半波长布阵所需的912阵元数量大幅降至128阵元和通道,不仅解决了传统高频段相控阵天线固有的散热难题,降低了制造加工难度。”李世东教授利用所学专长(数学与通信),跨学科融合,通过建立多维数学模型,突破了传统电磁场理论的固籍,创造性地研究出一套“空间优化采样法”,将该方法应用于稀布、立体的相控阵天线设计与制造,创造性的推出了超薄S波段相控阵(卫星通信)动中通天线、5G 无线通信Massive MIMO基站天线和Ka波段环形超稀疏相控阵天线等新一代产品,可使成本降低50%并有效解决散热等难题。为我国各类通信技术的提升做出了重要贡献。

Massive MIMO天线

为相控阵天线在无线通信中找到新用武之地

“基于多输入多输出(MIMO)相控阵天线的波束成形技术似乎形成了整个5G蜂窝技术的一个组件。虽然多年来相控阵一直是雷达的基础部件,但它们正在无线通信中找到新的用武之地”。在李世东教授眼里,相控阵天线在探测、制导、特殊通信等领域,尤其在下一代移动通信5G基站的应用方面,将产生巨大的效益。Massive MIMO 主要研究点在于信号处理,因此属于通信,天线设计也是重要部分,但严格的说天线也属于通信范畴。

Massive MIMO相控阵天线是5G无线通信网络的关键,其造价是5G基站系统的1/3左右。”李世东教授介绍,稀布Massive MIMO 天线对5G网络总成本的降低程度相当可观,通过减少阵元或者通道数量,使MIMO天线成本得以降低。天线减小了通道数,便减小了相应的信道矩阵的维数,从而简化了信号处理的算法。

除此之外,李世东教授还介绍稀布Massive MIMO通过减少A/D(模拟到数字)转换器和 DSP(数字信号处理器)的个数,进一步降成本,真正实现基站系统造价的1/3左右。

院士点评:新一代天线在各个领域发挥创新引领作用

中国工程院 袁亮院士

一分耕耘,一分收获。

我与李世东教授是中学同学,他本科硕士学的是电气自动化、电力电子,到了美国以后改学数学,从知识挑战层面这个跨度非常大。近年来,按照国家创新发展需求,李世东教授有着强烈的报国之心,将在美国学到的知识奉献给祖国。

多年以来,李世东教授一直从事应用数学和信号处理的研究,并在以上两个领域连续21年获得和主持美国自然科学基金、美国空军研究基金的科研项目,拥有相控阵天线设计的两项国际专利。

听完李世东教授关于相控阵天线的介绍,我个人认为有系统的创新,这是未来和新一代天线,首先从算法上讲非常精准。第二个,这个天线它符合绿色、节能、低成本、低消耗。因此,在未来创新发展的道路上一定会越走越远,新一代天线在各个领域也将发挥创新引领作用。(完)

 

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