相控阵无线通讯设备在输电线路运维的应用

王勇 周剑峰 郑青松 万仁勇 李宏 赵拯 张亚峰 李树生

摘要：云南电网有限责任公司楚雄供电局主要负责楚雄州境内的电力供应、电网规划建设、电网运行维护管理等工作，但楚雄州大部分地区均为山区，森林覆盖率高，地形复杂，存在两大信号盲区，楚雄北部的大姚次咕噜原始森林、楚雄南部的双柏哀牢山无人区，且部分地区也无网络覆盖，运营商网络无法全面有效的支撑电网智慧化建设。采用相控阵无线通信设备后，可将信号覆盖处的信号通过该设备传输到信号盲区区域，从而实现了原信号盲区处可安装在线监测等一系列的智能化装备，从而大大节约运营成本及提高输电线路的可靠性。

关键词：盲区;相控阵，在线监测，智能化装备

1 目的和意义

相控阵技术，早在20世纪30年代后期就已经出现。1937年，美国首先开始相控阵天线的研究工作，20世纪50年代中期研制出2部实用型舰载相控阵雷达，相控阵雷达从根本上解决了传统机械扫描雷达的种种先天问题，在相同的孔径与操作波长下，相控阵雷达天线的反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性、电子对抗能力等都远优于传统雷达。

目前在我国相控阵技术除已在国防军事领域的雷达、通信、电子战、导航等技术方面广泛应用外，其在卫星通信、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都有着深切的实用需要和广阔的应用前景。特别是5G无线通信领域Massive MIMO （大规模多输入多输出）天线的应用，在当前移动通讯技术战略性迭代递进的背景下，相控阵技术实用化和高效、低成本应用势必成为研发的重点。

相控阵天线最大的优点是能够智能的实现大空域内的波束扫描，增益也较大，能够对观察范围内的目标进行准确跟踪、识别，并且能同时跟踪多个目标的动态，反馈信息，进行计算机的分析。而且相控阵天线可以在设定的空域内获取目标信息，根据目标，快速灵活地改变天线波束和指向形状，能够对整个空间内的各频段电磁波进行发送和接收，这是相控阵天线的空域滤波功能，即可对多个目标实现搜索、跟踪、捕获、识别等任务的精确完成。

现有的相控阵天线控制系统，由于相控阵天线阵列单元繁多，每个天线的单元模块动辄成百，更有甚者可以达到上千，这对控制芯片来说无疑是巨大的压力，按照传统的相控阵天线控制系统的控制芯片一个管脚对应一个控制，显然是无法满足驱动要求的。本项目针对相控阵天线的核心技术进行攻关，集成设计电磁表面控制功能、FPGA控制模块和波束搜索跟踪算法于一体，完成其与通信系统的融合设计。

在5G时代，如毫米波频段的400MHz大带宽、10Gbps高速率，这样的数据承载表现才能满足用户需求。但长期以来，毫米波因其传播距离短，穿透性差等缺点一直无法应用于移动通信。随着技术的进步与5G的到来，毫米波的有频谱宽、稳定性高、方向性好等优势亟待利用。

5G建设正在全球范围内如火如荼的展开，其通信频谱标准之一即为FR2：毫米波高频段。5G通信基站Massive MIMO 相控阵天线的应用已经成为当今全球通信基站厂家的主流，毫米波相控阵天线更是5G通信基站设备的核心，全球所有通信基站厂家都在不遗余力的投入大量人力物力开发毫米波相控阵天线，但是在目前相控阵天线昂贵的成本让各个厂家都叫苦不迭，因此推出全新技术的低成本毫米波通信基站相控陣天线，必将受到业界厂家竞相追逐。

5G是4G在技术、科学层面和产业应用层面的进一步升级和拓展，是全球抢占的战略基础资源。当前的5G天线系统要达到高密度、低成本、多极化、可重构、低功耗的技术目标，产业目标是形成我国自主可控的5G关键技术产业链，本项目针对5G相控阵天线的核心技术进行攻关，重点解决基于新型天线的毫米波通信技术，集成设计电磁表面控制功能、FPGA控制模块和波束搜索跟踪算法于一体，完成其与通信系统的融合设计。

2 技术特点

本项目突破传统设计方案，将每个天线后端的移相器前置到天线前端，用“电磁场调控”的方法取代“电路调控”的方法实现“移相”功能。举例而言，传统设计中每个天线后面需要接一个移相器和相应的放大通道，射频通道数多，系统复杂，;新方案中，由于采用了移相器前置技术，多个单元构成一个子阵，只需每个子阵连接一路收发通道，从而大幅度减少了射频通道数目，降低硬件成本和功耗。同时，由于移相器前移，射频收发通道中不再集成体积较大的移相器电路，可以使射频收发通道的复杂度降低。

移相器前置方案，是以降低移相精度换取系统的复杂度、功耗、成本下降。因此，需要系统研究低比特位移相精度对天线性能的整体影响，并且研究高效的电磁场直接调控相位的方法。由于器件的分布参数难以测量，特别是在W和THz频段，波长更短，分布效应影响更为严重，需要建立较为准确的器件电路模型。由于天线的单元尺寸较小，加工精度和工艺对天线具有较大的影响，需要研究对加工精度耐受性较好的天线结构，避免使用对加工精度较为敏感的结构形式。在加工方面，需要选择精密加工工艺，对工艺流程、步骤进行充分的优化，提高工艺一致性水平和成品率。

3 创新内容

传统大规模相控阵列天线主要采用“电路处理”方法实现相位控制，虽然具有阵列增益高、辐射灵活等优势，但需要成百上千个移相器以及复杂的馈电网络，不仅成本大，功耗也高。针对该技术瓶颈，本项目基于“界面电磁学”理论，提出“电磁场调控”方法实现相位控制。采用“相控”和“辐射”功能集成一体化的相控电磁表面天线技术，避免了高功耗、高成本的移相网络与控制电路。此外，相控电磁表面的单元结构设计简单，即使到了太赫兹频段，相应的控制器件和材料工艺也相对成熟。由此所获得的新型相控电磁表面天线技术，为低成本、低功耗、高频段的高密度射频前端提供了一个新的解决方案。

4 先进技术引进

相控阵天线技术主要为两条技术路线：

其一，“芯片相控体制”（主要以美国为代表），由于对高精密核心芯片的依赖就决定了其结构复杂，工艺繁难，加工精密度高，这也就不可避免地导致了产品成本难以控制，其高昂的造价和新产品亟待普及推广的矛盾短时期将很难调和，这对于整体的5G推动都是极为不利的。

其二，“电磁表面相控体制”，有利于在理论高度上的突破，完全回避了物理元件的制约，作用机制巧妙，所以实用产品整体结构简约，物料常规，加工工艺简单，所以成本相较芯片体制而言会非常低廉，已具备大规模生产推广的条件，同时由于不依赖任何国外进口的技术和元件可实现全国产的优势在当前的市场竞争中可说完全处于不败之地。

5 实际应用

2021年6月3日-5日楚雄供电局输电管理所在大姚湾碧乡无人区进行了500kV龙昆甲线208号塔、500kV龙昆甲线205号塔、500kV鲁昆甲线79号塔相控阵无线通讯设备安装，其中500kV龙昆甲线208号塔为发射信号的主站端，500kV龙昆甲线205号塔、500kV鲁昆甲线79号塔为接收信号的辅站塔，并在辅站上安装了在线监测装置，实现了信号盲区的在线监测覆盖，在线监测也接入了省公司的通道可视化平台，效果良好。

6 总结

“相控阵”技术，实现通信盲区可视化巡检。为解决通信问题对智能运维推进的制约，云南电网有限责任公司楚雄供电局积极引进“相控阵”通信技术，在云南省楚雄周大姚县湾碧镇次咕鲁无人区试点安装了1套“相控阵”设备，实现了对通信盲区内500kV鲁昆甲线、龙昆甲线10公里范围的信号覆盖，解决了无人区智能设备不能覆盖、作业风险高的难题。“相控阵”技术是国内首次在电力行业应用，该技术在在线监测、无人机自主巡检、灾情核查和应急处置、配电自动化等领域还有较大的应用前景。

参考文献：

[1]清华大学.相控电磁表面天线关键技术及应用[Z].科学技术成果鉴定证书，2018，

[2]杨帆、许慎恒、毛艺霖， 等.一种基于数字相控电磁表面的新型相控阵天线[P]. 北京，CN106848588 B，2018-08-28