了解毫米波相控陣 -- 之二

相控陣（Phased Array）技術(shù)是控制陣列天線各單元的相位、幅度，來形成對信號空間波束控制的技術(shù)。

相控陣技術(shù)起源于20世紀初發(fā)明的相控陣天線技術(shù)，并最早在軍用雷達技術(shù)中得到了廣泛應用和迅速發(fā)展。進入21世紀后，隨著民用電磁波頻率的不斷提高，相控陣技術(shù)在民用技術(shù)中也開始嶄露頭角。

在相控陣技術(shù)中，有兩個重要的技術(shù)概念，分別是“相控”和“陣”。以下分別就這兩個概念進行討論。

“陣”的引入：實現(xiàn)定向收發(fā)

在天線“陣”被發(fā)明之前，電磁波的輻射通常被認為是向外接近全向輻射的：****信號能量以接近球面的方式向外擴散。根據(jù)能量守恒，****距離越遠，球面半徑越大，單位面積得到的能量越小。當能量小到一定程度，接收機將無法接收到有用信號。這就是空間傳輸中“路徑損耗”的主要來源之一。

當然可以用增大接收面積來接收更多的能量，很多球面天線就是采用這樣的原理，但這樣做的結(jié)果是球面面積大，并且球面始終需要對準****源，不適用于****、接收快速運用的場景。


圖：（a）全向輻射的電磁波，（b）增大天線面積來接收更多信號

于是，天線“陣”就被發(fā)明了出來。

天線陣是諾貝爾物理學獎獲得者，著名物理學家卡爾·費迪南德·布勞恩（Karl Ferdinand Braun，1850年6月6日－1918年4月20日）于1905年所發(fā)明的。布勞恩是陰極射線管的發(fā)明者，同時也是無線通信技術(shù)的先驅(qū)者。1909年，因為在無線電報技術(shù)中的貢獻，布勞恩與馬可尼分享了當年的諾貝爾物理學獎。

在獲得諾貝爾獎時，布勞恩表示：“我心之所往的，就是將電磁波只向一個方向傳播” 。只向一個方向傳輸?shù)碾姶挪梢员苊鉄o謂的損耗，并且單方向的傳輸能量更強，傳播距離也更遠。

布勞恩設計的天線陣系統(tǒng)包含3根垂直單極天線，分別放置于等邊三角形的三個頂點處，兩兩相距1/4波長。通過控制輸入信號的相位，就可以實現(xiàn)三根天線發(fā)出的信號在三個方向上的疊加情況，從而實現(xiàn)天線向三個方向的分別定向****。


圖：1905年布勞恩發(fā)布的天線陣系統(tǒng)，及其遠場輻射圖

天線陣技術(shù)被發(fā)明后，受到了軍方極大的關(guān)注。其定向****接收、不需要物理轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)、傳播距離遠等特性非常適用于軍用雷達領域。于是在1920年左右，美國、德國等國家開始研究將天線陣應用于軍事雷達中。在1941年，美方將天線陣雷達SCR-270系統(tǒng)部署于珍珠港，該系統(tǒng)包含由32根天線構(gòu)成的天線陣列。雖然這個雷達系統(tǒng)并沒有阻止住日本的攻擊，但天線陣雷達的可行性得到了完整驗證。在現(xiàn)代軍用系統(tǒng)中，相控陣系統(tǒng)已經(jīng)得到的廣泛應用。


圖：（a）美軍1941年在珍珠港部署的SCR-270天線陣雷達系統(tǒng)
（b） 俄羅斯米格-35戰(zhàn)斗機裝備的甲蟲-AE相控陣雷達系統(tǒng)

“相控”技術(shù)：控制瞄準方向

天線陣的引入為電磁波的定向收發(fā)提供基礎，但實現(xiàn)方向的控制與掃描，還需要引入“相位控制”技術(shù)，也就是“相控”。

以接收信號時舉例，但天線陣系統(tǒng)進行信號接收時，由于進入各天線的信號經(jīng)過的傳輸路徑不同，如果直接相加，并不能實現(xiàn)信號的完美加和。這個時候，就需要將各路信號進行移相對齊后，再疊加起來。這個移相對齊的過程，就稱為“相控”。通過控制不同通路間的相位關(guān)系，就可以接收不同位置發(fā)出來的電磁波信號。


圖：接收通路中的相位控制

在****信號時也是一樣，通過對輸入信號的相位設計，可以控制輸出信號在哪個方向進行疊加。如此，如果需要變換****角度時，只需要改變各信號的相位差。這樣就建立起信號****角度與相位之間的聯(lián)系。

為簡單描述，以兩天線組織的陣列分析如下圖所示，當兩天線發(fā)出的信號之間相位無偏移時，兩天線發(fā)出的信號在中間對稱處疊加，而在其他位置抵消，信號集中于垂直方向****；當兩天線信號有相位差時，以天線1的相位延遲大于天線2為例，天線2發(fā)出的信號超前于天線1，此時疊加方向向左傾斜。通過控制天線1與天線2之間的相位差，即對****信號的波束方向進行控制。因為這種技術(shù)像是在對波束形狀進行賦形，所以也被稱為“波束賦形（Beam forming）”技術(shù)。


圖：通過兩天線間信號相位差，對****波束形狀進行控制