了解毫米波相控阵 -- 之二

相控阵（Phased Array）技术是控制阵列天线各单元的相位、幅度，来形成对信号空间波束控制的技术。

相控阵技术起源于20世纪初发明的相控阵天线技术，并最早在军用雷达技术中得到了广泛应用和迅速发展。进入21世纪后，随着民用电磁波频率的不断提高，相控阵技术在民用技术中也开始崭露头角。

在相控阵技术中，有两个重要的技术概念，分别是“相控”和“阵”。以下分别就这两个概念进行讨论。

“阵”的引入：实现定向收发

在天线“阵”被发明之前，电磁波的辐射通常被认为是向外接近全向辐射的：发射信号能量以接近球面的方式向外扩散。根据能量守恒，发射距离越远，球面半径越大，单位面积得到的能量越小。当能量小到一定程度，接收机将无法接收到有用信号。这就是空间传输中“路径损耗”的主要来源之一。

当然可以用增大接收面积来接收更多的能量，很多球面天线就是采用这样的原理，但这样做的结果是球面面积大，并且球面始终需要对准发射源，不适用于发射、接收快速运用的场景。


图：（a）全向辐射的电磁波，（b）增大天线面积来接收更多信号

于是，天线“阵”就被发明了出来。

天线阵是诺贝尔物理学奖获得者，著名物理学家卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun，1850年6月6日－1918年4月20日）于1905年所发明的。布劳恩是阴极射线管的发明者，同时也是无线通信技术的先驱者。1909年，因为在无线电报技术中的贡献，布劳恩与马可尼分享了当年的诺贝尔物理学奖。

在获得诺贝尔奖时，布劳恩表示：“我心之所往的，就是将电磁波只向一个方向传播” 。只向一个方向传输的电磁波可以避免无谓的损耗，并且单方向的传输能量更强，传播距离也更远。

布劳恩设计的天线阵系统包含3根垂直单极天线，分别放置于等边三角形的三个顶点处，两两相距1/4波长。通过控制输入信号的相位，就可以实现三根天线发出的信号在三个方向上的叠加情况，从而实现天线向三个方向的分别定向发射。


图：1905年布劳恩发布的天线阵系统，及其远场辐射图

天线阵技术被发明后，受到了军方极大的关注。其定向发射接收、不需要物理转向调节、传播距离远等特性非常适用于军用雷达领域。于是在1920年左右，美国、德国等国家开始研究将天线阵应用于军事雷达中。在1941年，美方将天线阵雷达SCR-270系统部署于珍珠港，该系统包含由32根天线构成的天线阵列。虽然这个雷达系统并没有阻止住日本的攻击，但天线阵雷达的可行性得到了完整验证。在现代军用系统中，相控阵系统已经得到的广泛应用。


图：（a）美军1941年在珍珠港部署的SCR-270天线阵雷达系统
（b） 俄罗斯米格-35战斗机装备的甲虫-AE相控阵雷达系统

“相控”技术：控制瞄准方向

天线阵的引入为电磁波的定向收发提供基础，但实现方向的控制与扫描，还需要引入“相位控制”技术，也就是“相控”。

以接收信号时举例，但天线阵系统进行信号接收时，由于进入各天线的信号经过的传输路径不同，如果直接相加，并不能实现信号的完美加和。这个时候，就需要将各路信号进行移相对齐后，再叠加起来。这个移相对齐的过程，就称为“相控”。通过控制不同通路间的相位关系，就可以接收不同位置发出来的电磁波信号。


图：接收通路中的相位控制

在发射信号时也是一样，通过对输入信号的相位设计，可以控制输出信号在哪个方向进行叠加。如此，如果需要变换发射角度时，只需要改变各信号的相位差。这样就建立起信号发射角度与相位之间的联系。

为简单描述，以两天线组织的阵列分析如下图所示，当两天线发出的信号之间相位无偏移时，两天线发出的信号在中间对称处叠加，而在其他位置抵消，信号集中于垂直方向发射；当两天线信号有相位差时，以天线1的相位延迟大于天线2为例，天线2发出的信号超前于天线1，此时叠加方向向左倾斜。通过控制天线1与天线2之间的相位差，即对发射信号的波束方向进行控制。因为这种技术像是在对波束形状进行赋形，所以也被称为“波束赋形（Beam forming）”技术。


图：通过两天线间信号相位差，对发射波束形状进行控制