王勇 周劍峰 鄭青松 萬仁勇 李宏 趙拯 張亞峰 李樹生

摘要：云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局主要負(fù)責(zé)楚雄州境內(nèi)的電力供應(yīng)、電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)、電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)管理等工作，但楚雄州大部分地區(qū)均為山區(qū)，森林覆蓋率高，地形復(fù)雜，存在兩大信號盲區(qū)，楚雄北部的大姚次咕嚕原始森林、楚雄南部的雙柏哀牢山無人區(qū)，且部分地區(qū)也無網(wǎng)絡(luò)覆蓋，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)無法全面有效的支撐電網(wǎng)智慧化建設(shè)。采用相控陣無線通信設(shè)備后，可將信號覆蓋處的信號通過該設(shè)備傳輸?shù)叫盘柮^(qū)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)了原信號盲區(qū)處可安裝在線監(jiān)測等一系列的智能化裝備，從而大大節(jié)約運(yùn)營成本及提高輸電線路的可靠性。

關(guān)鍵詞：盲區(qū);相控陣，在線監(jiān)測，智能化裝備

1 目的和意義

相控陣技術(shù)，早在20世紀(jì)30年代后期就已經(jīng)出現(xiàn)。1937年，美國首先開始相控陣天線的研究工作，20世紀(jì)50年代中期研制出2部實(shí)用型艦載相控陣?yán)走_(dá)，相控陣?yán)走_(dá)從根本上解決了傳統(tǒng)機(jī)械掃描雷達(dá)的種種先天問題，在相同的孔徑與操作波長下，相控陣?yán)走_(dá)天線的反應(yīng)速度、目標(biāo)更新速率、多目標(biāo)追蹤能力、分辨率、多功能性、電子對抗能力等都遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)雷達(dá)。

目前在我國相控陣技術(shù)除已在國防軍事領(lǐng)域的雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航等技術(shù)方面廣泛應(yīng)用外，其在衛(wèi)星通信、5G無線通信、氣象水文、地球勘探、低軌小衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)乃至生物醫(yī)學(xué)等民用領(lǐng)域都有著深切的實(shí)用需要和廣闊的應(yīng)用前景。特別是5G無線通信領(lǐng)域Massive MIMO （大規(guī)模多輸入多輸出）天線的應(yīng)用，在當(dāng)前移動通訊技術(shù)戰(zhàn)略性迭代遞進(jìn)的背景下，相控陣技術(shù)實(shí)用化和高效、低成本應(yīng)用勢必成為研發(fā)的重點(diǎn)。

相控陣天線最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠智能的實(shí)現(xiàn)大空域內(nèi)的波束掃描，增益也較大，能夠?qū)τ^察范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤、識別，并且能同時跟蹤多個目標(biāo)的動態(tài)，反饋信息，進(jìn)行計算機(jī)的分析。而且相控陣天線可以在設(shè)定的空域內(nèi)獲取目標(biāo)信息，根據(jù)目標(biāo)，快速靈活地改變天線波束和指向形狀，能夠?qū)φ麄€空間內(nèi)的各頻段電磁波進(jìn)行發(fā)送和接收，這是相控陣天線的空域?yàn)V波功能，即可對多個目標(biāo)實(shí)現(xiàn)搜索、跟蹤、捕獲、識別等任務(wù)的精確完成。

現(xiàn)有的相控陣天線控制系統(tǒng)，由于相控陣天線陣列單元繁多，每個天線的單元模塊動輒成百，更有甚者可以達(dá)到上千，這對控制芯片來說無疑是巨大的壓力，按照傳統(tǒng)的相控陣天線控制系統(tǒng)的控制芯片一個管腳對應(yīng)一個控制，顯然是無法滿足驅(qū)動要求的。本項(xiàng)目針對相控陣天線的核心技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，集成設(shè)計電磁表面控制功能、FPGA控制模塊和波束搜索跟蹤算法于一體，完成其與通信系統(tǒng)的融合設(shè)計。

在5G時代，如毫米波頻段的400MHz大帶寬、10Gbps高速率，這樣的數(shù)據(jù)承載表現(xiàn)才能滿足用戶需求。但長期以來，毫米波因其傳播距離短，穿透性差等缺點(diǎn)一直無法應(yīng)用于移動通信。隨著技術(shù)的進(jìn)步與5G的到來，毫米波的有頻譜寬、穩(wěn)定性高、方向性好等優(yōu)勢亟待利用。

5G建設(shè)正在全球范圍內(nèi)如火如荼的展開，其通信頻譜標(biāo)準(zhǔn)之一即為FR2：毫米波高頻段。5G通信基站Massive MIMO 相控陣天線的應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)今全球通信基站廠家的主流，毫米波相控陣天線更是5G通信基站設(shè)備的核心，全球所有通信基站廠家都在不遺余力的投入大量人力物力開發(fā)毫米波相控陣天線，但是在目前相控陣天線昂貴的成本讓各個廠家都叫苦不迭，因此推出全新技術(shù)的低成本毫米波通信基站相控陣天線，必將受到業(yè)界廠家競相追逐。

5G是4G在技術(shù)、科學(xué)層面和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用層面的進(jìn)一步升級和拓展，是全球搶占的戰(zhàn)略基礎(chǔ)資源。當(dāng)前的5G天線系統(tǒng)要達(dá)到高密度、低成本、多極化、可重構(gòu)、低功耗的技術(shù)目標(biāo)，產(chǎn)業(yè)目標(biāo)是形成我國自主可控的5G關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，本項(xiàng)目針對5G相控陣天線的核心技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，重點(diǎn)解決基于新型天線的毫米波通信技術(shù)，集成設(shè)計電磁表面控制功能、FPGA控制模塊和波束搜索跟蹤算法于一體，完成其與通信系統(tǒng)的融合設(shè)計。

2 技術(shù)特點(diǎn)

本項(xiàng)目突破傳統(tǒng)設(shè)計方案，將每個天線后端的移相器前置到天線前端，用“電磁場調(diào)控”的方法取代“電路調(diào)控”的方法實(shí)現(xiàn)“移相”功能。舉例而言，傳統(tǒng)設(shè)計中每個天線后面需要接一個移相器和相應(yīng)的放大通道，射頻通道數(shù)多，系統(tǒng)復(fù)雜，;新方案中，由于采用了移相器前置技術(shù)，多個單元構(gòu)成一個子陣，只需每個子陣連接一路收發(fā)通道，從而大幅度減少了射頻通道數(shù)目，降低硬件成本和功耗。同時，由于移相器前移，射頻收發(fā)通道中不再集成體積較大的移相器電路，可以使射頻收發(fā)通道的復(fù)雜度降低。

移相器前置方案，是以降低移相精度換取系統(tǒng)的復(fù)雜度、功耗、成本下降。因此，需要系統(tǒng)研究低比特位移相精度對天線性能的整體影響，并且研究高效的電磁場直接調(diào)控相位的方法。由于器件的分布參數(shù)難以測量，特別是在W和THz頻段，波長更短，分布效應(yīng)影響更為嚴(yán)重，需要建立較為準(zhǔn)確的器件電路模型。由于天線的單元尺寸較小，加工精度和工藝對天線具有較大的影響，需要研究對加工精度耐受性較好的天線結(jié)構(gòu)，避免使用對加工精度較為敏感的結(jié)構(gòu)形式。在加工方面，需要選擇精密加工工藝，對工藝流程、步驟進(jìn)行充分的優(yōu)化，提高工藝一致性水平和成品率。

3 創(chuàng)新內(nèi)容

傳統(tǒng)大規(guī)模相控陣列天線主要采用“電路處理”方法實(shí)現(xiàn)相位控制，雖然具有陣列增益高、輻射靈活等優(yōu)勢，但需要成百上千個移相器以及復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，不僅成本大，功耗也高。針對該技術(shù)瓶頸，本項(xiàng)目基于“界面電磁學(xué)”理論，提出“電磁場調(diào)控”方法實(shí)現(xiàn)相位控制。采用“相控”和“輻射”功能集成一體化的相控電磁表面天線技術(shù)，避免了高功耗、高成本的移相網(wǎng)絡(luò)與控制電路。此外，相控電磁表面的單元結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，即使到了太赫茲頻段，相應(yīng)的控制器件和材料工藝也相對成熟。由此所獲得的新型相控電磁表面天線技術(shù)，為低成本、低功耗、高頻段的高密度射頻前端提供了一個新的解決方案。

4 先進(jìn)技術(shù)引進(jìn)

相控陣天線技術(shù)主要為兩條技術(shù)路線：

其一，“芯片相控體制”（主要以美國為代表），由于對高精密核心芯片的依賴就決定了其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝繁難，加工精密度高，這也就不可避免地導(dǎo)致了產(chǎn)品成本難以控制，其高昂的造價和新產(chǎn)品亟待普及推廣的矛盾短時期將很難調(diào)和，這對于整體的5G推動都是極為不利的。

其二，“電磁表面相控體制”，有利于在理論高度上的突破，完全回避了物理元件的制約，作用機(jī)制巧妙，所以實(shí)用產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)簡約，物料常規(guī)，加工工藝簡單，所以成本相較芯片體制而言會非常低廉，已具備大規(guī)模生產(chǎn)推廣的條件，同時由于不依賴任何國外進(jìn)口的技術(shù)和元件可實(shí)現(xiàn)全國產(chǎn)的優(yōu)勢在當(dāng)前的市場競爭中可說完全處于不敗之地。

5 實(shí)際應(yīng)用

2021年6月3日-5日楚雄供電局輸電管理所在大姚灣碧鄉(xiāng)無人區(qū)進(jìn)行了500kV龍昆甲線208號塔、500kV龍昆甲線205號塔、500kV魯昆甲線79號塔相控陣無線通訊設(shè)備安裝，其中500kV龍昆甲線208號塔為發(fā)射信號的主站端，500kV龍昆甲線205號塔、500kV魯昆甲線79號塔為接收信號的輔站塔，并在輔站上安裝了在線監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)了信號盲區(qū)的在線監(jiān)測覆蓋，在線監(jiān)測也接入了省公司的通道可視化平臺，效果良好。

6 總結(jié)

“相控陣”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通信盲區(qū)可視化巡檢。為解決通信問題對智能運(yùn)維推進(jìn)的制約，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局積極引進(jìn)“相控陣”通信技術(shù)，在云南省楚雄周大姚縣灣碧鎮(zhèn)次咕魯無人區(qū)試點(diǎn)安裝了1套“相控陣”設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對通信盲區(qū)內(nèi)500kV魯昆甲線、龍昆甲線10公里范圍的信號覆蓋，解決了無人區(qū)智能設(shè)備不能覆蓋、作業(yè)風(fēng)險高的難題?！跋嗫仃嚒奔夹g(shù)是國內(nèi)首次在電力行業(yè)應(yīng)用，該技術(shù)在在線監(jiān)測、無人機(jī)自主巡檢、災(zāi)情核查和應(yīng)急處置、配電自動化等領(lǐng)域還有較大的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]清華大學(xué).相控電磁表面天線關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[Z].科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書，2018，

[2]楊帆、許慎恒、毛藝霖， 等.一種基于數(shù)字相控電磁表面的新型相控陣天線[P]. 北京，CN106848588 B，2018-08-28