相控陣無線通訊設備在輸電線路運維的應用

王勇 周劍峰 鄭青松 萬仁勇 李宏 趙拯 張亞峰 李樹生

摘要：云南電網有限責任公司楚雄供電局主要負責楚雄州境內的電力供應、電網規劃建設、電網運行維護管理等工作，但楚雄州大部分地區均為山區，森林覆蓋率高，地形復雜，存在兩大信號盲區，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，且部分地區也無網絡覆蓋，運營商網絡無法全面有效的支撐電網智慧化建設。采用相控陣無線通信設備后，可將信號覆蓋處的信號通過該設備傳輸到信號盲區區域，從而實現了原信號盲區處可安裝在線監測等一系列的智能化裝備，從而大大節約運營成本及提高輸電線路的可靠性。

關鍵詞：盲區;相控陣，在線監測，智能化裝備

1 目的和意義

相控陣技術，早在20世紀30年代后期就已經出現。1937年，美國首先開始相控陣天線的研究工作，20世紀50年代中期研制出2部實用型艦載相控陣雷達，相控陣雷達從根本上解決了傳統機械掃描雷達的種種先天問題，在相同的孔徑與操作波長下，相控陣雷達天線的反應速度、目標更新速率、多目標追蹤能力、分辨率、多功能性、電子對抗能力等都遠優于傳統雷達。

目前在我國相控陣技術除已在國防軍事領域的雷達、通信、電子戰、導航等技術方面廣泛應用外，其在衛星通信、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都有著深切的實用需要和廣闊的應用前景。特別是5G無線通信領域Massive MIMO （大規模多輸入多輸出）天線的應用，在當前移動通訊技術戰略性迭代遞進的背景下，相控陣技術實用化和高效、低成本應用勢必成為研發的重點。

相控陣天線最大的優點是能夠智能的實現大空域內的波束掃描，增益也較大，能夠對觀察范圍內的目標進行準確跟蹤、識別，并且能同時跟蹤多個目標的動態，反饋信息，進行計算機的分析。而且相控陣天線可以在設定的空域內獲取目標信息，根據目標，快速靈活地改變天線波束和指向形狀，能夠對整個空間內的各頻段電磁波進行發送和接收，這是相控陣天線的空域濾波功能，即可對多個目標實現搜索、跟蹤、捕獲、識別等任務的精確完成。

現有的相控陣天線控制系統，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，更有甚者可以達到上千，這對控制芯片來說無疑是巨大的壓力，按照傳統的相控陣天線控制系統的控制芯片一個管腳對應一個控制，顯然是無法滿足驅動要求的。本項目針對相控陣天線的核心技術進行攻關，集成設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，完成其與通信系統的融合設計。

在5G時代，如毫米波頻段的400MHz大帶寬、10Gbps高速率，這樣的數據承載表現才能滿足用戶需求。但長期以來，毫米波因其傳播距離短，穿透性差等缺點一直無法應用于移動通信。隨著技術的進步與5G的到來，毫米波的有頻譜寬、穩定性高、方向性好等優勢亟待利用。

5G建設正在全球范圍內如火如荼的展開，其通信頻譜標準之一即為FR2：毫米波高頻段。5G通信基站Massive MIMO 相控陣天線的應用已經成為當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，因此推出全新技術的低成本毫米波通信基站相控陣天線，必將受到業界廠家競相追逐。

5G是4G在技術、科學層面和產業應用層面的進一步升級和拓展，是全球搶占的戰略基礎資源。當前的5G天線系統要達到高密度、低成本、多極化、可重構、低功耗的技術目標，產業目標是形成我國自主可控的5G關鍵技術產業鏈，本項目針對5G相控陣天線的核心技術進行攻關，重點解決基于新型天線的毫米波通信技術，集成設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，完成其與通信系統的融合設計。

2 技術特點

本項目突破傳統設計方案，將每個天線后端的移相器前置到天線前端，用“電磁場調控”的方法取代“電路調控”的方法實現“移相”功能。舉例而言，傳統設計中每個天線后面需要接一個移相器和相應的放大通道，射頻通道數多，系統復雜，;新方案中，由于采用了移相器前置技術，多個單元構成一個子陣，只需每個子陣連接一路收發通道，從而大幅度減少了射頻通道數目，降低硬件成本和功耗。同時，由于移相器前移，射頻收發通道中不再集成體積較大的移相器電路，可以使射頻收發通道的復雜度降低。

移相器前置方案，是以降低移相精度換取系統的復雜度、功耗、成本下降。因此，需要系統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控相位的方法。由于器件的分布參數難以測量，特別是在W和THz頻段，波長更短，分布效應影響更為嚴重，需要建立較為準確的器件電路模型。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構，避免使用對加工精度較為敏感的結構形式。在加工方面，需要選擇精密加工工藝，對工藝流程、步驟進行充分的優化，提高工藝一致性水平和成品率。

3 創新內容

傳統大規模相控陣列天線主要采用“電路處理”方法實現相位控制，雖然具有陣列增益高、輻射靈活等優勢，但需要成百上千個移相器以及復雜的饋電網絡，不僅成本大，功耗也高。針對該技術瓶頸，本項目基于“界面電磁學”理論，提出“電磁場調控”方法實現相位控制。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，避免了高功耗、高成本的移相網絡與控制電路。此外，相控電磁表面的單元結構設計簡單，即使到了太赫茲頻段，相應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，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 先進技術引進

相控陣天線技術主要為兩條技術路線：

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構復雜，工藝繁難，加工精密度高，這也就不可避免地導致了產品成本難以控制，其高昂的造價和新產品亟待普及推廣的矛盾短時期將很難調和，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，作用機制巧妙，所以實用產品整體結構簡約，物料常規，加工工藝簡單，所以成本相較芯片體制而言會非常低廉，已具備大規模生產推廣的條件，同時由于不依賴任何國外進口的技術和元件可實現全國產的優勢在當前的市場競爭中可說完全處于不敗之地。

5 實際應用

2021年6月3日-5日楚雄供電局輸電管理所在大姚灣碧鄉無人區進行了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備安裝，其中500kV龍昆甲線208號塔為發射信號的主站端，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測裝置，實現了信號盲區的在線監測覆蓋，在線監測也接入了省公司的通道可視化平臺，效果良好。

6 總結

“相控陣”技術，實現通信盲區可視化巡檢。為解決通信問題對智能運維推進的制約，云南電網有限責任公司楚雄供電局積極引進“相控陣”通信技術，在云南省楚雄周大姚縣灣碧鎮次咕魯無人區試點安裝了1套“相控陣”設備，實現了對通信盲區內500kV魯昆甲線、龍昆甲線10公里范圍的信號覆蓋，解決了無人區智能設備不能覆蓋、作業風險高的難題。“相控陣”技術是國內首次在電力行業應用，該技術在在線監測、無人機自主巡檢、災情核查和應急處置、配電自動化等領域還有較大的應用前景。

參考文獻：

[1]清華大學.相控電磁表面天線關鍵技術及應用[Z].科學技術成果鑒定證書，2018，

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