芯耀
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幾十年來，相控陣天線已在各種應(yīng)用中得到使用。最近，隨著頻率的提高，相控陣天線在移動(dòng)無線通信領(lǐng)域變得愈發(fā)重要，因?yàn)檩^高的頻率使得更小尺寸的天線陣列成為可能。工作在頻率范圍2（FR2）頻段（24.25GHz至52.6GHz）的 5G系統(tǒng)很好地利用了這些可操控的天線。
貼片天線
貼片天線是相控陣天線常見的基本組成單元。這種天線由一個(gè)安裝在更大的扁平導(dǎo)體（通常稱為接地平面）上方的扁平矩形導(dǎo)體（即貼片）構(gòu)成（見圖1）。如圖所示，貼片是正方形的，但也可以采用其他形狀。一種介電材料將貼片與接地平面分隔開來。饋線簡單地表示為從左側(cè)進(jìn)入的一根導(dǎo)體，但你可以選擇確切的連接點(diǎn)和連接方式來優(yōu)化阻抗匹配。
圖 1. 貼片天線由位于接地平面上方的矩形導(dǎo)體組成，二者由介電材料分隔開。一個(gè)正方形貼片天線的邊長l=w≈λ/2 ，也就是半波長。貼片邊緣的邊緣效應(yīng)會(huì)使其在電氣性能上表現(xiàn)得更大，所以實(shí)際上貼片的尺寸會(huì)略小于半波長。此外，貼片與接地平面之間的介電材料會(huì)影響諧振頻率，這也要求天線的尺寸更小一些。可以使用多種制造技術(shù)來制作貼片天線，對(duì)于尺寸較大的天線可采用金屬薄板的方式，而對(duì)于小尺寸的天線，則可采用微帶（印刷電路板）和單片微波集成電路（MMIC）技術(shù)。天線的最大輻射方向垂直于貼片且遠(yuǎn)離接地平面。典型的貼片天線增益大約為8dBi到9dBi，其半功率波束寬度約為65°。
尺寸很關(guān)鍵
無線系統(tǒng)中頻率不斷提高的總體趨勢使得貼片天線變得更為常見。我們來考慮甚高頻（VHF）范圍內(nèi)150MHz的頻率。
在自由空間中，半波長由以下公式給出：
λ/2=150/f
其中λ單位m，f單位MHz
對(duì)于150MHz的天線，貼片天線的每邊邊長約為 1m。這個(gè)尺寸對(duì)于集成到現(xiàn)代智能手機(jī)或平板電腦中來說太大了。在接近1GHz的頻率下，貼片天線的尺寸變得更易于處理，其半波長為15 cm。圖2展示了一種常見的900MHz貼片天線。
圖 2. 這種900MHz的貼片天線常用于無線通信系統(tǒng)中。
在5G的頻率范圍2（FR2）頻段，天線的物理尺寸甚至更小。在28GHz的頻率下，半波長約為5 mm。如前所述，貼片與接地平面之間使用的介電材料可以顯著縮短半波長，幅度可能達(dá)到 30%甚至更多。
線性天線陣列
由于天線的幾何尺寸變小，我們可以將多個(gè)天線組合成一個(gè)陣列，以提高天線增益。我們只需讓所有的貼片天線同相饋電，就能獲得比單個(gè)貼片天線更高的增益。不過，我們還可以控制傳送到每個(gè)貼片天線的各個(gè)信號(hào)的相位，從而制造出一種電子可操控方向的天線。
圖3展示了由單個(gè)發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)的八元線性天線陣列。傳送到每個(gè)天線單元的信號(hào)都由各自獨(dú)立的移相器控制，移相器會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間上的延遲。從底部的天線單元開始，它的相移最小，其上方的每個(gè)天線單元所施加的相移逐漸增大。當(dāng)每個(gè)天線單元進(jìn)行輻射時(shí)，會(huì)形成一個(gè)合成波前，波前的底部在更前方。較高位置的天線單元也會(huì)輻射信號(hào)，但存在額外的延遲。如果操作正確，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)輻射波，該輻射波相對(duì)于垂直于天線陣列的直線以角度θ傳播。增加相移量會(huì)增大角度θ，這樣天線的輻射方向圖就可以被操控到所需的方向。
圖 3. 通過控制線性陣列中每個(gè)貼片天線所接收信號(hào)的相位，就能打造出一個(gè)可操控方向的天線。
相控陣天線
線性陣列的概念可以通過使用貼片天線矩陣擴(kuò)展到二維，如圖4所示。圖中展示的例子是一個(gè) 8×8的天線單元陣列，總共有64個(gè)單元。為了簡化起見，圖中沒有顯示饋線，但每個(gè)天線都可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。
圖4. 由64個(gè)貼片天線（8×8）組成的陣列共同構(gòu)成了一個(gè)相控陣天線。
利用波束成形技術(shù)來優(yōu)化向多個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù)的速率（見圖5）。通過將信號(hào)集中傳輸至多個(gè)移動(dòng)設(shè)備，同時(shí)消除可能存在的干擾信號(hào)，無線系統(tǒng)的整體效能或許能夠得到提升。這需要對(duì)輻射方向圖進(jìn)行先進(jìn)的控制，而相控陣天線使這種控制成為可能。
圖5. 相控陣天線可以將多束波束導(dǎo)向無線設(shè)備，從而優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能。
圖6展示了一個(gè)用于28GHz頻段的64單元天線陣列的實(shí)施方案。外圍幾排的貼片未被使用，僅使用了內(nèi)部8×8的天線陣列，其直徑大約為50mm（兩英寸）。這是一個(gè)包含眾多單元的緊湊型天線的很好范例。
圖6. 這款適用于28GHz頻段的緊湊型64單元相控陣天線總結(jié)：相控陣天線憑借貼片單元的小型化優(yōu)勢，成為高頻移動(dòng)通信的核心技術(shù)。隨著5G FR2頻段（24.25-52.6GHz）的部署，毫米波貼片天線通過介電材料與尺寸優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)半波長毫米級(jí)化（如28GHz下約5mm），推動(dòng)陣列集成度躍升。
線性/二維陣列通過獨(dú)立移相控制波束方向，結(jié)合波束成形技術(shù)，可動(dòng)態(tài)聚焦多用戶信號(hào)，顯著提升頻譜效率與抗干擾能力，為6G及智能通信系統(tǒng)奠定物理層基礎(chǔ)。
