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(shù)是控制陣列天線(xiàn)各單元的相位、幅度，來(lái)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(xiàn)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(jìn)入21世紀后，隨著(zhù)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(kāi)始嶄露頭角。

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

“陣”的引入：實(shí)現定向收發(fā)

在天線(xiàn)“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(wú)法接收到有用信號。這就是空間傳輸中“路徑損耗”的主要來(lái)源之一。

當然可以用增大接收面積來(lái)接收更多的能量，很多球面天線(xiàn)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****源，不適用于****、接收快速運用的場(chǎng)景。


圖：（a）全向輻射的電磁波，（b）增大天線(xiàn)面積來(lái)接收更多信號

于是，天線(xiàn)“陣”就被發(fā)明了出來(lái)。

天線(xiàn)陣是諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，著(zhù)名物理學(xué)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(xiàn)管的發(fā)明者，同時(shí)也是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的先驅者。1909年，因為在無(wú)線(xiàn)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(xué)獎。

在獲得諾貝爾獎時(shí)，布勞恩表示：“我心之所往的，就是將電磁波只向一個(gè)方向傳播” 。只向一個(gè)方向傳輸的電磁波可以避免無(wú)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(xiàn)陣系統包含3根垂直單極天線(xiàn)，分別放置于等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)處，兩兩相距1/4波長(cháng)。通過(guò)控制輸入信號的相位，就可以實(shí)現三根天線(xiàn)發(fā)出的信號在三個(gè)方向上的疊加情況，從而實(shí)現天線(xiàn)向三個(gè)方向的分別定向****。


圖：1905年布勞恩發(fā)布的天線(xiàn)陣系統，及其遠場(chǎng)輻射圖

天線(xiàn)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、不需要物理轉向調節、傳播距離遠等特性非常適用于軍用雷達領(lǐng)域。于是在1920年左右，美國、德國等國家開(kāi)始研究將天線(xiàn)陣應用于軍事雷達中。在1941年，美方將天線(xiàn)陣雷達SCR-270系統部署于珍珠港，該系統包含由32根天線(xiàn)構成的天線(xiàn)陣列。雖然這個(gè)雷達系統并沒(méi)有阻止住日本的攻擊，但天線(xiàn)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(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(xiàn)陣雷達系統
（b） 俄羅斯米格-35戰斗機裝備的甲蟲(chóng)-AE相控陣雷達系統

“相控”技術(shù)：控制瞄準方向

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

以接收信號時(shí)舉例，但天線(xiàn)陣系統進(jìn)行信號接收時(shí)，由于進(jìn)入各天線(xiàn)的信號經(jīng)過(guò)的傳輸路徑不同，如果直接相加，并不能實(shí)現信號的完美加和。這個(gè)時(shí)候，就需要將各路信號進(jìn)行移相對齊后，再疊加起來(lái)。這個(gè)移相對齊的過(guò)程，就稱(chēng)為“相控”。通過(guò)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(lái)的電磁波信號。


圖：接收通路中的相位控制

在****信號時(shí)也是一樣，通過(guò)對輸入信號的相位設計，可以控制輸出信號在哪個(gè)方向進(jìn)行疊加。如此，如果需要變換****角度時(shí)，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(jiǎn)單描述，以?xún)商炀€(xiàn)組織的陣列分析如下圖所示，當兩天線(xiàn)發(fā)出的信號之間相位無(wú)偏移時(shí)，兩天線(xiàn)發(fā)出的信號在中間對稱(chēng)處疊加，而在其他位置抵消，信號集中于垂直方向****；當兩天線(xiàn)信號有相位差時(shí)，以天線(xiàn)1的相位延遲大于天線(xiàn)2為例，天線(xiàn)2發(fā)出的信號超前于天線(xiàn)1，此時(shí)疊加方向向左傾斜。通過(guò)控制天線(xiàn)1與天線(xiàn)2之間的相位差，即對****信號的波束方向進(jìn)行控制。因為這種技術(shù)像是在對波束形狀進(jìn)行賦形，所以也被稱(chēng)為“波束賦形（Beam forming）”技術(shù)。


圖：通過(guò)兩天線(xiàn)間信號相位差，對****波束形狀進(jìn)行控制