一、前言
在天線理論中，相控陣通常是指電子掃描陣列，一種計(jì)算機(jī)控制的天線陣列。它可以產(chǎn)生一束無線電波，并在不移動(dòng)天線的情況下通過電子控制指向不同的方向。
在一個(gè)簡單的陣列天線中，來自發(fā)射器的射頻電流被饋送到具有適當(dāng)相位關(guān)系的多個(gè)單獨(dú)的天線元件，以便來自獨(dú)立元件的無線電波組合（疊加）形成波束，以增加在所需方向上的輻射功率和抑制不希望的方向的輻射。在相控陣中，來自發(fā)射器的功率通過稱為移相器的設(shè)備饋送到輻射元件，該設(shè)備由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，可以電子方式改變相位或信號(hào)延遲，從而將無線電波束轉(zhuǎn)向不同的方向。由于天線陣列的尺寸必須擴(kuò)展許多波長才能實(shí)現(xiàn)窄波束寬度所需的高增益，因此相控陣主要適用于無線電頻譜的高頻端，即特高頻和微波頻段，在這些頻段中，工作波長較小，更為方便。
相控陣最初被設(shè)想用于軍用雷達(dá)系統(tǒng)，以引導(dǎo)無線電波束快速穿過天空以探測(cè)飛機(jī)和導(dǎo)彈。這些系統(tǒng)現(xiàn)在被廣泛使用，并已擴(kuò)展到民用應(yīng)用，例如用于手機(jī)的5G MIMO 。相控陣原理也用于聲學(xué)，相控陣聲換能器用于醫(yī)學(xué)超聲成像掃描儀（相控陣超聲波）、油氣勘探（反射地震學(xué)）和軍用聲納系統(tǒng)。
術(shù)語“相控陣”有時(shí)也用于非轉(zhuǎn)向陣列天線，其中饋電功率的相位以及因此天線陣列的輻射方向圖是固定的。 例如，由多個(gè)桅桿輻射器組成的 AM 廣播無線電天線饋電以產(chǎn)生特定的輻射圖樣，也稱為“相控陣”。
顯示相控陣如何工作的動(dòng)畫。它由一個(gè)由發(fā)射器(TX)供電的天線元件(A)陣列組成。每個(gè)元件的饋電電流通過由計(jì)算機(jī)(C)控制的移相器(φ )。移動(dòng)的紅線顯示了每個(gè)元素發(fā)射的無線電波的波前。各個(gè)波前是球面的，但它們?cè)谔炀€前組合（疊加）以產(chǎn)生平面波，即沿特定方向傳播的無線電波束。移相器使無線電波逐漸沿線路向上延遲，因此每個(gè)天線的波前發(fā)射時(shí)間比其下方的天線晚。這會(huì)導(dǎo)致生成的平面波以與天線軸成θ角的方向定向。通過改變相移，計(jì)算機(jī)可以立即改變光束的角度θ 。大多數(shù)相控陣具有二維天線陣列，而不是此處顯示的線性陣列，并且可以在二維上控制波束。圖中所示的無線電波的速度已減慢。
動(dòng)畫顯示了由 15 個(gè)天線元件組成的相控陣的輻射方向圖，這些天線元件間隔四分之一波長，因?yàn)橄噜徧炀€之間的相位差在 -120 到 120 度之間掃過。暗區(qū)是光束或主瓣，而在它周圍呈扇形散開的光線是旁瓣。
二、類型
相控陣有多種形式。最常見的四種是無源電子掃描陣列 (PESA)、有源電子掃描陣列 (AESA)、混合波束形成相控陣和數(shù)字波束形成 (DBF) 陣列。
無源相控陣或無源電子掃描陣列(PESA)。其天線元件連接到單個(gè)發(fā)射器和/或接收器，如頂部的第一個(gè)動(dòng)畫所示。PESA 是最常見的相控陣類型。一般來說，PESA 對(duì)整個(gè)陣列使用一個(gè)接收器/激勵(lì)器。
有源相控陣或有源電子掃描陣列(AESA) 。其每個(gè)天線元件都有一個(gè)模擬發(fā)射器/接收器 (T/R) 模塊 ，它產(chǎn)生電子控制天線波束所需的相移。有源陣列是更先進(jìn)的第二代相控陣技術(shù)，用于軍事應(yīng)用；與 PESA 不同，它們可以同時(shí)向不同方向發(fā)射多個(gè)頻率的無線電波束。然而，同時(shí)光束的數(shù)量受到光束形成器電子封裝的實(shí)際原因的限制，對(duì)于 AESA 來說，同時(shí)光束的數(shù)量大約為三個(gè)。每個(gè)波束形成器都有一個(gè)與之連接的接收器/激勵(lì)器。
混合波束形成相控陣是 AESA 和數(shù)字波束生成相控陣的組合。它使用有源相控陣的子陣（例如，子陣可以是 64、128 或 256 個(gè)單元，單元的數(shù)量取決于系統(tǒng)要求）。子陣列被組合以形成完整陣列。每個(gè)子陣列都有自己的數(shù)字接收器/激勵(lì)器。這種方法允許創(chuàng)建同時(shí)波束的集群。
數(shù)字波束形成 (DBF) 相控陣在陣列中的每個(gè)單元處都有一個(gè)數(shù)字接收器/激勵(lì)器。每個(gè)單元的信號(hào)由接收器/激勵(lì)器數(shù)字化。這意味著天線波束可以在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 或陣列計(jì)算機(jī)中以數(shù)字方式形成。這種方法允許形成多個(gè)同時(shí)的天線波束。
共形天線。其各個(gè)天線不是布置在平面上，而是安裝在曲面上。由于天線元件在表面上的不同位置，移相器補(bǔ)償了波的不同路徑長度，從而允許陣列輻射平面波。共形天線用于飛機(jī)和導(dǎo)彈，將天線集成到飛機(jī)的曲面中以減少氣動(dòng)阻力。
三、歷史
費(fèi)迪南德·布勞恩1905 年采用相控陣原理的定向天線，由等邊三角形的 3 個(gè)單極天線組成。一個(gè)天線的饋線中的四分之一波延遲導(dǎo)致陣列以波束的形式輻射。延遲可以手動(dòng)切換到 3 個(gè)饋源中的任何一個(gè)，將天線波束旋轉(zhuǎn) 120°。
相控陣傳輸最初由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者卡爾·費(fèi)迪南德·布勞恩于 1905 年提出，他展示了無線電波在一個(gè)方向上的增強(qiáng)傳輸。二戰(zhàn)期間，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者路易斯·阿爾瓦雷斯（Luis Alvarez）在快速轉(zhuǎn)向的雷達(dá)系統(tǒng)中使用相控陣傳輸來實(shí)現(xiàn)“地面控制進(jìn)近”，這是一種幫助飛機(jī)著陸的系統(tǒng)。與此同時(shí)，德國 GEMA 建造了Mammut 1。在劍橋大學(xué)行星際閃爍陣列開發(fā)了幾個(gè)大型相控陣后，它后來被改編為射電天文學(xué)，從而為安東尼·休伊什和馬丁·賴爾贏來了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這種設(shè)計(jì)也用于雷達(dá)，并推廣到干涉式無線電天線。
2004 年，加州理工學(xué)院的研究人員展示了第一個(gè)集成硅基相控陣接收器，頻率24GHz，有8個(gè)單元。 隨后在2005年，他們演示了 CMOS 24GHz 相控陣發(fā)射機(jī)，2006年又演示了一個(gè)完全集成的 77GHz 相控陣收發(fā)器。2007 年， DARPA研究人員發(fā)布了一種 16 單元相控陣?yán)走_(dá)天線，該天線還與所有必要的電路集成在單個(gè)硅芯片上，工作頻率為 30-50 千兆赫。
各個(gè)天線輻射的信號(hào)的相對(duì)幅度（以及建設(shè)性和破壞性干擾效應(yīng)）決定了陣列的有效輻射方向圖。相控陣可用于指向固定的輻射方向圖，或在方位角或仰角上快速掃描。1957 年，加利福尼亞州休斯飛機(jī)公司的相控陣天線首次展示了同時(shí)進(jìn)行方位角和仰角的電子掃描。
四、廣播
在廣播工程中，“相控陣”一詞的含義與其正常含義不同，它是指普通的陣列天線，由多個(gè)桅桿輻射器組成的陣列，旨在輻射定向輻射模式，而不是單個(gè)桅桿輻射全向圖案。廣播相控陣具有固定的輻射方向圖，并且在操作過程中不像其他相控陣那樣“轉(zhuǎn)向”。
許多AM 廣播電臺(tái)都使用相控陣來增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，從而增強(qiáng)許可城市的覆蓋范圍，同時(shí)最大限度地減少對(duì)其他區(qū)域的干擾。由于中波頻率在白天和夜間電離層傳播之間的差異，AM 廣播電臺(tái)通常通過切換提供給各個(gè)天線元件（桅桿）的相位和功率水平在白天（地波）和夜間（天波）輻射方向圖散熱器) 每天在日出和日落時(shí)。對(duì)于短波廣播，許多電臺(tái)使用水平偶極子陣列。一種常見的布置在 4×4 陣列中使用 16 個(gè)偶極子。通常這是在線柵反射器的前面。相位通常是可切換的，以允許在方位角和有時(shí)仰角上進(jìn)行波束控制。
私人無線電愛好者可以使用更適中的相控陣長線天線系統(tǒng)來接收遠(yuǎn)距離的長波、中波 (AM) 和短波無線電廣播。
在VHF上，相控陣廣泛用于FM 廣播。這些大大增加了天線增益，放大了向地平線發(fā)射的射頻能量，從而大大增加了電臺(tái)的廣播范圍。在這些情況下，從發(fā)射器到每個(gè)元件的距離是相同的，或者相隔一個(gè)（或其他整數(shù)）波長。對(duì)陣列進(jìn)行定相以使較低的元素略微延遲（通過使與它們的距離更長）導(dǎo)致向下的波束傾斜，如果天線在無線電塔上相當(dāng)高，這將非常有用。
其他相位調(diào)整可以在不傾斜主瓣的情況下增加遠(yuǎn)場(chǎng)的向下輻射，創(chuàng)建零點(diǎn)填充以補(bǔ)償極高的山頂位置，或減少近場(chǎng)的輻射，以防止對(duì)那些工人甚至附近房主的過度暴露地面。后一種效果也是通過半波間距來實(shí)現(xiàn)的 – 在現(xiàn)有元素之間以全波間距插入附加元素。這種定相實(shí)現(xiàn)了與全波間隔大致相同的水平增益；也就是說，一個(gè)五元全波間隔陣列等于一個(gè)九元或十元半波間隔陣列。
極坐標(biāo)系中相控陣的輻射方向圖。
五、雷達(dá)
許多海軍的軍艦也使用相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。由于波束可以快速轉(zhuǎn)向，相控陣?yán)走_(dá)允許軍艦使用一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行水面探測(cè)和跟蹤（尋找船只）、空中探測(cè)和跟蹤（尋找飛機(jī)和導(dǎo)彈）以及導(dǎo)彈上行鏈路能力。在使用這些系統(tǒng)之前，每枚飛行中的地對(duì)空導(dǎo)彈都需要一個(gè)專用的火控雷達(dá)，這意味著雷達(dá)制導(dǎo)武器只能同時(shí)攻擊少量目標(biāo)。相控陣系統(tǒng)可用于在導(dǎo)彈飛行的中途階段控制導(dǎo)彈。在飛行的最后階段，連續(xù)波火控指揮員為目標(biāo)提供最后的指導(dǎo)。由于天線方向圖是電子控制的，相控陣系統(tǒng)可以以足夠快的速度引導(dǎo)雷達(dá)波束，以同時(shí)在許多目標(biāo)上保持火控質(zhì)量跟蹤，同時(shí)還可以控制幾枚飛行中的導(dǎo)彈。
AN/SPY-1相控陣?yán)走_(dá)是部署在現(xiàn)代美國巡洋艦和驅(qū)逐艦上的宙斯盾戰(zhàn)斗系統(tǒng)的一部分，“能夠同時(shí)執(zhí)行搜索、跟蹤和導(dǎo)彈制導(dǎo)功能，具有超過 100 個(gè)目標(biāo)的能力?！?nbsp;同樣，在法國和新加坡服役的泰雷茲 Herakles相控陣多功能雷達(dá)具有 200 個(gè)目標(biāo)的跟蹤能力，能夠在一次掃描中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、確認(rèn)和跟蹤啟動(dòng)，同時(shí)提供中途制導(dǎo)從船上發(fā)射的MBDA Aster導(dǎo)彈的更新。 德國海軍和荷蘭皇家海軍已經(jīng)開發(fā)了有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)（APAR）。MIM-104 Patriot和其他陸基防空系統(tǒng)使用相控陣?yán)走_(dá)具有類似的優(yōu)勢(shì)。
相控陣用于海軍聲納、有源（發(fā)射和接收）和無源（僅接收）以及船體安裝和拖曳陣列聲納。
六、天氣研究用途
AN/SPY-1A 雷達(dá)安裝在俄克拉荷馬州諾曼的國家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室。封閉的天線罩提供天氣保護(hù)。
自 2003 年 4 月 23 日以來，美國國家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室一直在使用美國海軍提供的 SPY-1A 相控陣天線在其位于俄克拉荷馬州諾曼的設(shè)施進(jìn)行天氣研究。希望研究能夠更好地了解雷暴和龍卷風(fēng)，最終導(dǎo)致預(yù)警時(shí)間增加并加強(qiáng)對(duì)龍卷風(fēng)的預(yù)測(cè)。目前的項(xiàng)目參與者包括國家強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室和國家氣象局雷達(dá)操作中心、洛克希德馬丁公司、美國海軍、俄克拉荷馬大學(xué)氣象學(xué)院、電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)院以及大氣雷達(dá)研究中心，俄克拉荷馬州高等教育機(jī)構(gòu)、聯(lián)邦航空管理局和基本商業(yè)和工業(yè)。該項(xiàng)目包括研發(fā)、未來技術(shù)轉(zhuǎn)讓和該系統(tǒng)在美國的潛在部署。預(yù)計(jì)需要 10 到 15 年才能完成，初始建設(shè)費(fèi)用約為 2500 萬美元。 日本 RIKEN 計(jì)算科學(xué)研究所 (AICS) 的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始使用相控陣?yán)走_(dá)和一種新算法進(jìn)行即時(shí)天氣預(yù)報(bào)的實(shí)驗(yàn)工作。
七、不同類型相控陣
有兩種主要類型的波束形成器。這些是時(shí)域波束形成器和頻域波束形成器。從理論的角度來看，兩者原則上都是相同的操作，只是傅里葉變換允許從一種類型轉(zhuǎn)換為另一種類型。
除了相移之外，有時(shí)會(huì)在陣列表面應(yīng)用漸變衰減窗口以提高旁瓣抑制性能。
時(shí)域波束形成器通過引入時(shí)間延遲來工作?；静僮鞣Q為“延遲和求和”。它將來自每個(gè)數(shù)組元素的輸入信號(hào)延遲一定的時(shí)間，然后將它們加在一起。Butler 矩陣允許同時(shí)形成多個(gè)光束，或通過弧線掃描一個(gè)光束。最常見的時(shí)域波束形成器是蛇形波導(dǎo)。有源相控陣設(shè)計(jì)使用打開和關(guān)閉的單獨(dú)延遲線。釔鐵石榴石移相器利用磁場(chǎng)強(qiáng)度改變相位延遲。
有兩種不同類型的頻域波束形成器。
第一種類型將接收到的信號(hào)中存在的不同頻率分量分成多個(gè)頻率區(qū)間（使用離散傅里葉變換(DFT) 或?yàn)V波器組）。當(dāng)不同的延遲和總和波束形成器應(yīng)用于每個(gè)頻率區(qū)間時(shí)，結(jié)果是主瓣在每個(gè)不同頻率處同時(shí)指向多個(gè)不同方向。這對(duì)于通信鏈路可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，并與SPS-48雷達(dá)一起使用。
另一種頻域波束形成器使用空間頻率。從每個(gè)單獨(dú)的數(shù)組元素中獲取離散樣本。使用 DFT 處理樣本。DFT 在處理過程中引入了多個(gè)不同的離散相移。DFT 的輸出是與同時(shí)形成的均勻間隔的光束相對(duì)應(yīng)的單獨(dú)通道。一維 DFT 產(chǎn)生不同光束的扇形。二維 DFT 產(chǎn)生具有菠蘿配置的光束。
這些技術(shù)用于創(chuàng)建兩種相控陣：
動(dòng)態(tài)的 – 可變移相器陣列用于移動(dòng)光束
固定的 – 波束位置相對(duì)于陣列面是靜止的，整個(gè)天線是移動(dòng)的
還有兩個(gè)子類別可以修改動(dòng)態(tài)數(shù)組或固定數(shù)組的種類。
主動(dòng)的 – 放大器或處理器位于每個(gè)移相器元件中
被動(dòng)的 – 帶有衰減移相器的大型中央放大器
7.1 動(dòng)態(tài)相控陣
每個(gè)陣列元件都包含一個(gè)可調(diào)節(jié)的移相器，這些移相器共同用于相對(duì)于陣列面移動(dòng)光束。
動(dòng)態(tài)相控陣不需要物理運(yùn)動(dòng)來瞄準(zhǔn)光束。光束以電子方式移動(dòng)。這可以產(chǎn)生足夠快的天線運(yùn)動(dòng)，以使用小筆形波束同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)，同時(shí)僅使用一組雷達(dá)搜索新目標(biāo)（搜索時(shí)跟蹤）。
例如，具有 2 度波束、脈沖率為 1 kHz 的天線將需要大約 8 秒來覆蓋由 8,000 個(gè)指向位置組成的整個(gè)半球。此配置提供了 12 次機(jī)會(huì)來檢測(cè)1,000 m/s（2,200 mph；3,600 km/h） 100 km（62 mi）范圍內(nèi)的載具 ，適用于軍事用途。
可以預(yù)測(cè)機(jī)械操縱天線的位置，這可用于創(chuàng)建干擾雷達(dá)操作的電子對(duì)抗措施。相控陣操作帶來的靈活性允許波束瞄準(zhǔn)隨機(jī)位置，從而消除了這種脆弱性。這也是軍事應(yīng)用所希望的。
7.2 固定相控陣
固定相控陣天線通常用于創(chuàng)建具有比傳統(tǒng)拋物面反射器或卡塞格林反射器更理想的外形尺寸的天線。固定相控陣包含固定移相器。例如，大多數(shù)商用 FM 廣播和電視天線塔使用共線天線陣列，它是偶極子元件的固定相控陣。
在雷達(dá)應(yīng)用中，這種相控陣在跟蹤和掃描過程中物理移動(dòng)。有兩種配置。
具有延遲線的多個(gè)頻率
多個(gè)相鄰光束
SPS-48雷達(dá)使用多個(gè)發(fā)射頻率和沿陣列左側(cè)的蛇形延遲線來產(chǎn)生堆疊波束的垂直扇形。每個(gè)頻率在沿著蛇形延遲線傳播時(shí)都會(huì)經(jīng)歷不同的相移，從而形成不同的光束。濾波器組用于分離各個(gè)接收光束。天線是機(jī)械旋轉(zhuǎn)的。
半主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)使用單脈沖雷達(dá)，該雷達(dá)依靠固定相控陣產(chǎn)生多個(gè)測(cè)量角度誤差的相鄰波束。這種外形尺寸適用于導(dǎo)彈導(dǎo)引頭中的萬向架安裝。
7.3 有源相控陣
有源電子掃描陣列(AESA) 元件在每個(gè)天線元件（或一組元件）中包含帶有相移的發(fā)射放大。每個(gè)元素還包括接收前置放大。發(fā)射和接收的移相器設(shè)置相同。
有源相控陣在發(fā)射脈沖結(jié)束后不需要相位復(fù)位，與多普勒雷達(dá)和脈沖多普勒雷達(dá)兼容。
7.4 無源相控陣
無源相控陣通常使用為天線產(chǎn)生所有微波發(fā)射信號(hào)的大型放大器。移相器通常由受磁場(chǎng)、電壓梯度或等效技術(shù)控制的波導(dǎo)元件組成。
與無源相控陣一起使用的相移過程通常將接收波束和發(fā)射波束置于對(duì)角相對(duì)的象限中。在發(fā)射脈沖結(jié)束后和接收周期開始之前，必須反轉(zhuǎn)相移的符號(hào)，以便將接收波束置于與發(fā)射波束相同的位置。這需要降低多普勒雷達(dá)和脈沖多普勒雷達(dá)的亞雜波能見度性能的相位脈沖。例如，釔鐵石榴石移相器必須在發(fā)射脈沖淬滅之后和接收器處理開始對(duì)準(zhǔn)發(fā)射和接收光束之前進(jìn)行更改。該脈沖會(huì)引入 FM 噪聲，從而降低雜波性能。無源相控陣設(shè)計(jì)用于 AEGIS 戰(zhàn)斗系統(tǒng)。用于到達(dá)方向估計(jì)。
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