了解毫米波相控陣 -- 之二

了解毫米波相控陣 -- 之二

相控陣（Phased Array）技術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。

相控陣技術起源于20世紀初發明的相控陣天線技術，并最早在軍用雷達技術中得到了廣泛應用和迅速發展。進入21世紀后，隨著民用電磁波頻率的不斷提高，相控陣技術在民用技術中也開始嶄露頭角。在相控陣技術中，有兩個重要的技術概念，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：實現定向收發在天線“陣”被發明之前，電磁波的輻射通常被認為是向外接近全向輻射的：發射信號能量以接近球面的方式向外擴散。根據能量守恒，發射距離越遠，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，但這樣做的結果是球面面積大，并且球面始終需要對準發射源，不適用于發射、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年所發明的。布勞恩是陰極射線管的發明者，同時也是無線通信技術的先驅者。1909年，因為在無線電報技術中的貢獻，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” 。只向一個方向傳輸的電磁波可以避免無謂的損耗，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，就可以實現三根天線發出的信號在三個方向上的疊加情況，從而實現天線向三個方向的分別定向發射。

圖：1905年布勞恩發布的天線陣系統，及其遠場輻射圖天線陣技術被發明后，受到了軍方極大的關注。其定向發射接收、不需要物理轉向調節、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系統部署于珍珠港，該系統包含由32根天線構成的天線陣列。雖然這個雷達系統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。在現代軍用系統中，相控陣系統已經得到的廣泛應用。

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

“相控”技術：控制瞄準方向天線陣的引入為電磁波的定向收發提供基礎，但實現方向的控制與掃描，還需要引入“相位控制”技術，也就是“相控”。以接收信號時舉例，但天線陣系統進行信號接收時，由于進入各天線的信號經過的傳輸路徑不同，如果直接相加，并不能實現信號的完美加和。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系，就可以接收不同位置發出來的電磁波信號。

圖：接收通路中的相位控制

在發射信號時也是一樣，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，如果需要變換發射角度時，只需要改變各信號的相位差。這樣就建立起信號發射角度與相位之間的聯系。為簡單描述，以兩天線組織的陣列分析如下圖所示，當兩天線發出的信號之間相位無偏移時，兩天線發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發射；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，即對發射信號的波束方向進行控制。因為這種技術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。