昨晚同学小聚，说起一个新的相控阵技术 智能反射面，研究了一下，正值周末在家，就把自己了解到相控阵技术做一个总结。
相控阵技术最早来自于军事雷达技术，至今在雷达领域仍然广泛使用。在相控阵列中，有多个TR组件，每个TR组件中，有低噪声放大器，射频功率放大器，数字移相器和数控衰减器等元器件，通过改变信号的相位（或者延迟）和幅度，就可以合成一个矢量波束，从事显现对于天线波束的方向的控制。
根据电磁波或者声波频率的不同的，以及随着芯片技术发展，相控阵技术也衍生了模拟相控阵，数字波束成型，数字模拟混合波束成型等实现形式。
模拟相控阵，顾名思义，就是利用收发组件中的移相器和衰减器，对于发射或者接收信号进行矢量合成，最后实现对于天线发射信号波束赋形。模拟波束赋形的要受到几个因素的影响，天线阵列数目，数控衰减器衰减精度与范围，移相器精度与范围。精度越高，那么对应波束角度变化分辨率就越好，天线阵列越大，对应波束角度本身就越小，旁瓣也就会越低，对应成本也就会越大。除了移相器之外，对于一些较为宽带产品，并不是通过移相实现矢量合成，而是通过可编程延迟线，因为当信号带宽比较宽的时候，针对宽带信号移相器特性变化较大，实际的波束成型效果会受到影响，对于宽带信号而言，采用延迟线 模拟相控阵原理框图
模拟相控阵至今还用在雷达的TR组件。卫星通信由于较高的频率，也在广泛使用模拟波束成型的器件，并将波束成型与LAN, PA做集成。近些年，也有厂商开始使用模拟延迟线技术实现更大阵列超声波束赋形。
2. 数字波束成型技术数字波束成型技术主要得益于数字技术和半导体的发展，在数字端非常容易实现更高幅度和相位调整精度，而且可以针对不同用户数据进行特定的波束成型，所以受到了广泛的关注和使用。在数字上实现波束赋形，需要在发射端使用多个可编程脉冲，或者多个同步的DAC实现信号发射，在基带端进行调制之后，直接在数字域对信号进行加权处理，然后经过数模转换，再经过后面频率变化或者放大电路，将信号发射出去。在接收端，从天线接收到的信号，经过调理和变频后，信号进入ADC，在数字域对于获取到的多个通道信号进行数字处理，进行矢量合成。数字波束成型，不仅得益于FPGA或者ASIC技术发展，也得益于高速射频ADC和DAC技术，从而可以实现更大的带宽，以及更高的调整精度，更少的元器件。相位同步技术发展，也是数字波束成型至关重要的，这个包括时钟同步技术，高频PLL的同步技术，以及高速ADC/DAC内部时钟和数据同步。
混合相控阵技术，即在数字侧实现矢量合成，也在模拟段进行移相和数控衰减。之所以有这种方式，也是兼顾数字技术带来的灵活性以及兼顾模拟实现的成本优势。纯数字技术需要每个通道一个ADC和DAC，数模转换芯片成本较高，每个通道独立环节，而且更大数量ADC和DAC的就会有等同样数量的数字运算单元，加大了成本的压力。通过M个ADC/DAC基础上，在进行N个模拟波束成型器，就可以试下M*N个阵列天线，从而实现了更大阵列，更有的成本以及更高的精度。
那么对于常规相控阵列，天线数是多少呢？通常在军用，气象雷达或者毫米波安检系统中TR组件可能上千个，对于移动和卫星通信中，64-256个通道是比较常见的，对于超声波定位基本上有32-256通道。对于麦克风阵列，智能音箱中广泛使用4-6个实现，车载系统也有使用双麦克风的，但是对于摆放位置以及距离有更加严格的要求。
相控阵技术从最早相控阵雷达开始，逐渐发展到移动通信技术领域，特别是5G通信中，由于数据率和频段提升，Massive MIMO多天线技术被广泛使用。在卫星特别在低轨道卫星通信应用中，由于低轨道卫星处于地球非同步轨道，相对地面快速运动，需要地面终端快速跟踪卫星。在医学的超声波探测领域中，也大量使用超声波进行波束成型实现对于人体内部器官的成像。在车载毫米波雷达应用中，在77/79G前向3D雷达到4D雷达领域，也采用多个天线实现角度分辨率。在安检领域，毫米波检测技术通过大阵列天线可以实现通过式的危险物检测。在音频领域，智能音箱和车载语音对话广泛采用阵列麦克风实现对于声源定位与噪声的抑制。
相控阵技术始于军用雷达技术，在早期脉冲或者调频连续波雷达中，由于数字的技术限制，基带或者中频发射的信号都是单一的信源，在末级的TR组件上，通过移相器，衰减器，LNA和PA以及收发开关实现，发射和接收的相控阵。发射期间，对于发射信源进行移相和幅度矢量合成，通过PA和天线将电磁波发射出去，在接收期间，开关将天线接入LNA, 然后同样通过对于各个天线的信号进行移相和幅度调整实现矢量合成。近些年随着数字技术发展，通过高速ADC和DAC在数字侧实现幅度和相位调整实现数字阵列也越来越流行。
移动通信在早期2G时代，基站采用两天线技术是最为常见，用于在通信中抗多径效应。到了4G的TDD应用中，8天线基本是宏基站的标配，届时已经有了智能天线的概念，为了实现波束成型，需要对于多个天线通道发射和接收通道进行校准，校准目的是为了保证天线通道之间相位是固定的，或者通过数字调整后可以做到0相位，但是实际系统中考虑到校准通道自身精度，以及温度漂移，一般相位控制到+/-5度或者更小范围内。设计中一般是一个发射通道输出，然后通过一个功率分配网络将发射信号反馈到8个接收通道，将接收通道不一致性校准掉。反过来，8个发射通道分别反馈信号到一个接收通道后，针对8个天线信号进行校准，将发射通道相位校准。为了保证运行中温度变化造成的相位变化，工作过程中还要利用TDD的时隙中间时隙做不断的校准。针对多个收发器或者本振进行校准或者对齐问题，我曾经支持过很多客户，也有很多人问这个问题，针对收发器和时钟，本振之间相位对其的问题，可以再写一个专题进行讨论。
到了5G时代，由于通信频段上升，通信速率上升，为了要达到更好的覆盖，Massive MIMO技术应运而生。一个系统64个天线个天线成为现实，基站可以根据用户合成对准客户波束，不仅实现了对于用户侧有用信息加强，还实现了对于干扰波速抑制。由于集成收发器和数字技术提升，在数字侧实现波束成型已经成为标配，由于天线很多，采用物理的独立天线已经基本上不太可能，天线逐渐与电路板结合。校准技术也逐渐从端口校准到天线阵列的校准。当然这么大的阵列成本上也大幅度提升，也就有了5G基站的电量消耗大的问题。由于天线阵列较大，实际在工作中即使出现个别阵列损坏，系统照样可以工作，只是性能有些许下降而已。
卫星通信技术与传统移动通信技术最大区别就是基站在天上。传统天通系列同步轨道卫星数目较少，离着地面较远，通信带宽较小，所以一般仅仅用于电话或者短消息。当前火热低轨道卫星通信，由于进低轨道通信距离短，发射成本低，如SPACE-X星链，主要处于400km左右轨道面，一个可回收的火箭可以携带60颗低轨道卫星，发射成本较低。早期的同步轨道的卫星地面站或者终端，都有一个抛物面天线，卫星不动，地面站或者终端根据自己位置自动调节抛物面天线位置实现对准卫星操作。而对于低轨道卫星，由于卫星相对于地面是不断变化位置的，即使地面终端或者地面站是固定的，卫星的位置也是变化的。需要地面终端不断调整天线波束来对准卫星，从而获取到很高的信噪声比。当然这个波束成型也可以做在卫星端，类似于5G的宏基站一样，设定好波束来对准用户终端。
对于低轨轨道卫星通信，当前使用频段主要是K/Ka频率段，信号带宽达到600MHz甚至1.2GHz，不论是卫星还是地面站，采用数字或者纯模拟方式都有一些限制。所以当前一些量产的产品很多都是混合波束成型的方式，就是在基带上有多个通道，在射频段有单独的beamformer芯片，一个芯片可以是4-16个不同到相位和幅度控制，并连接外部天线实现阵列的波束成型。 由于K/KA频段较高，即使256个阵列，实际尺寸上还是比较小的。而且随着SOI以及SIGE的FT值不断提升，PA/LAN Beamfomer单芯片化再加上硅上AIP天线阵列发展，卫星通信成本也会不断下降到民用产品上。
车载毫米波雷达与激光雷达在避障方面技术路线上，很多车厂都有自己的选择。车载毫米波加双目方式是特斯拉一直追求技术路线。特别是随着多收多发低成本的雷达套片的出现，不论是SOI工艺，SIGE还是RFCMOS，大幅度降低了毫米波雷达套片的成本，不仅是模拟前端还有处理器集成。通过4个3发4收的毫米波雷达芯片集成，可以实现12发和16收的配置，利用波束成型算法，就可以更高的角度分辨率，从而就有了从3D毫米波到4D毫米波雷达迁移，实际上就是测试像素点更多，从而在一定程度上替换低像素的激光雷达。而且随着AI和车载传输总线的速率提升，数据后融合到数据前融合，进一步提升了对于障碍区的准确识别。在前向4D雷达中，多个芯片的相位对齐也是一个非常关键的技术。当前车载毫米波基本采用FMCW的调制方式实现物体的检测。通过在数字侧实现相位和幅度合成，实现俯仰角和水平方向的分辨，提升成像的像素。
在医疗超声波以及探伤的超声波检测应用中。在发射端通过可编程延迟脉冲激励超声波探头，然后再接收端通过多通道接收器，在数字芯片实现波束合成，从而实现对于被测人体或者物体成像。发射脉冲延迟与多通道接收AFE是比较关键技术。当前发射开关与接收AFE通道数据，从早期8通道，逐渐增加到32个通道，使得超声波小型化成为可能，当前除了多通道 台式超声，16/32通道的手持超声或者掌超也逐渐应用，对于基层医疗检测能力提升起到了非常大的作用。
麦克风阵列技术与声呐技术类似，很多类似技术来源于水下声呐。最近几年语音识别技术的快速发展，诞生了智能音箱，车载多音区语音识别需求。为了更好做到语音的识别，需要对于声源进行定位，并且对于其他方位的干扰信号进行抑制，从而获取到高的信噪比，提升语音识别成功率。由于音频频段在20Hz-20KHz的频段，实际上跨越了多个倍频程，与毫米波的整列不同，实际上麦克风整列波束成型是针对语音识别的重要的分量进行波束成型处理，忽略其他频率分量。比如200Hz-1KHz频段里面含有的频率分量对于语音识别很重要，那么波束成型就仅仅对于这个频率段的语音信号做波束处理，而忽略其他频率段。实际上我曾经对于一些典型波束成型算法做过测试，实际上语音的波束成型更加看中的是对于干扰的一直，对于声源的加强并不是很大。
总结，在我个人职业生涯中，在不同时期接触了相控阵雷达，5G Massive MIMO通信，超声波成像，车载毫米波雷达，麦克风阵列应用，只有回过头才注意到的竟然有这么多相似之处。但是对于智能发射面，现在还是一知半解，但是至少听同学介绍，是一个非常有潜力的技术，期待半导体技术发展推动智能发射面的应用快速发展。