相控陣傳輸最初由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者卡爾·布勞恩于1905年展示，他展示了無(wú)線電波在一個(gè)方向上的加速傳輸。在二戰(zhàn)期間，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者路易斯·阿爾瓦雷茨在快速可操縱雷達(dá)系統(tǒng)中使用相控陣傳輸進(jìn)行“接近地面控制”，幫助飛機(jī)著陸的系統(tǒng)。與此同時(shí)，德國(guó)的GEMA建造了Mammut 1。它后來(lái)被用于射電天文學(xué)，在劍橋大學(xué)開(kāi)發(fā)了幾款大型相控陣之后，安東尼·休什和馬丁·里爾獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這種設(shè)計(jì)也用于雷達(dá)，并在干涉無(wú)線電天線中得到推廣。
（1905年所展示的定向天線采用了相控陣原理，由3個(gè)單極天線組成一個(gè)等邊三角形。一根天線饋線中的四分之一波延遲導(dǎo)致陣列在波束中輻射。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°。）
在天線理論中，相控陣通常是指一個(gè)電子掃描陣列，一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的天線陣列，它產(chǎn)生一束無(wú)線電波，可以通過(guò)電子控制指向不同的方向，而無(wú)需移動(dòng)天線。
在簡(jiǎn)單陣列天線中，來(lái)自發(fā)射機(jī)的射頻電流以正確的相位關(guān)系饋送到各個(gè)天線，使得來(lái)自各個(gè)天線的無(wú)線電波相加以增加期望方向上的輻射，而相消以抑制不期望方向上的輻射。在相控陣天線中，來(lái)自發(fā)射機(jī)的功率通過(guò)一種稱為移相器的裝置饋送到天線，移相器由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，可以通過(guò)電子方式改變相位，從而將無(wú)線電波的波束轉(zhuǎn)向不同的方向。由于相控陣必須由許多小型天線（有時(shí)數(shù)千個(gè)）組成，才能獲得高增益，因此相控陣主要適用于無(wú)線電頻譜的高頻端、UHF和微波波段，其中天線單元非常小。
單個(gè)天線輻射的信號(hào)之間的相對(duì)振幅以及建設(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，加州休斯飛機(jī)公司的相控陣天線首次演示了方位角和仰角同時(shí)進(jìn)行的電掃描。
動(dòng)態(tài)相控陣的每個(gè)陣列單元包含一個(gè)可調(diào)移相器，該移相器共同作用于相對(duì)于陣列面移動(dòng)的波束。動(dòng)態(tài)相控陣不需要物理運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)準(zhǔn)波束。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)，使用一個(gè)小的鉛筆波束同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)，同時(shí)只使用一個(gè)雷達(dá)集（搜索時(shí)跟蹤）搜索新目標(biāo)。
例如，具有2度波束且脈沖率為1 kHz的天線將需要大約8秒來(lái)覆蓋由8000個(gè)指向位置組成的整個(gè)半球。這種配置提供了12個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)檢測(cè)100公里范圍內(nèi)的1000米/秒的車(chē)輛，這能滿足軍事應(yīng)用的需求。
可以預(yù)測(cè)機(jī)械操縱天線的位置，這可以用來(lái)創(chuàng)建干擾雷達(dá)工作的電子對(duì)抗措施。相控陣操作帶來(lái)的靈活性允許波束對(duì)準(zhǔn)隨機(jī)位置，從而消除了此漏洞。這對(duì)于軍事應(yīng)用也是可取的。
而半主動(dòng)雷達(dá)尋的導(dǎo)引使用單脈沖雷達(dá)，依靠固定相控陣產(chǎn)生多個(gè)相鄰波束，測(cè)量角度誤差。這種外形適合于導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的萬(wàn)向節(jié)安裝。比如美軍的SPS-48雷達(dá)使用多個(gè)發(fā)射頻率，沿陣列左側(cè)有一條蛇形延遲線，以產(chǎn)生疊加波束的垂直扇形。當(dāng)每個(gè)頻率沿著蛇形延遲線傳播時(shí)，會(huì)經(jīng)歷不同的相移，從而形成不同的波束。濾波器組用于分離各個(gè)接收波束。天線以機(jī)械方式旋轉(zhuǎn)。
（SPS-48雷達(dá)）
相控陣也在較小程度上用于非定向陣列天線，其中饋電功率的相位和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(wú)線電天線饋電以產(chǎn)生特定的輻射方向圖也被稱為相控陣。
（圖一為顯示相控陣工作原理的動(dòng)畫(huà)。它由一個(gè)由發(fā)射機(jī)（TX）供電的天線單元陣列（A）組成。每個(gè)天線的饋電電流通過(guò)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(wú)線電波的波前。單個(gè)波前是球形的，但它們?cè)谔炀€前面結(jié)合（疊加）形成一個(gè)平面波，一束無(wú)線電波朝著特定的方向傳播。移相器延遲無(wú)線電波逐漸向上移動(dòng)，這樣每個(gè)天線發(fā)射的波前都比下面的要晚。這使得產(chǎn)生的平面波指向與天線軸成θ角的方向。通過(guò)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)相控陣天線都是二維天線陣列，而不是這里所示的線性陣列，波束可以在二維方向上進(jìn)行控制，讓無(wú)線電波的速度大大減慢了。）
相控陣有多種形式。然而，四種最常見(jiàn)的是無(wú)源相控陣、有源電子掃描陣列、混合波束形成相控陣和數(shù)字波束形成陣列。
無(wú)源相控陣或無(wú)源電子掃描陣列其天線元件連接到單個(gè)發(fā)射器和/或接收器，如圖以的動(dòng)畫(huà)所示。PESA是最常見(jiàn)的相控陣類(lèi)型。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)源相控陣使用一個(gè)接收器/激勵(lì)器來(lái)處理整個(gè)陣列。
無(wú)源相控陣通常使用大型放大器，為天線產(chǎn)生所有的微波發(fā)射信號(hào)。移相器通常由磁場(chǎng)、電壓梯度或等效技術(shù)控制的波導(dǎo)元件組成。無(wú)源相控陣使用的相移過(guò)程通常將接收波束和發(fā)射波束置于對(duì)角的象限中。相移符號(hào)必須在發(fā)射脈沖結(jié)束后和接收周期開(kāi)始前反轉(zhuǎn)，以便將接收波束置于與發(fā)射波束相同的位置。這就需要相位脈沖來(lái)降低多普勒雷達(dá)和脈沖多普勒雷達(dá)的子雜波可見(jiàn)度性能。釔鐵石榴石移相器必須改變后，發(fā)射脈沖淬火和接收器處理前開(kāi)始對(duì)齊發(fā)射和接收光束。這種脈沖會(huì)引入調(diào)頻噪聲，從而降低雜波性能。無(wú)源相控陣設(shè)計(jì)用于宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)的波達(dá)方向估計(jì)。
有源相控陣或有源電子掃描陣列，其每個(gè)天線單元都有一個(gè)模擬發(fā)射器/接收器（T/R）模塊，該模塊產(chǎn)生電子引導(dǎo)天線波束所需的相移。有源陣列是一種更先進(jìn)的第二代相控陣技術(shù)，用于軍事應(yīng)用。與無(wú)源相控陣不同，它們可以同時(shí)向不同方向發(fā)射多個(gè)頻率的無(wú)線電波束。但是波束的數(shù)量同時(shí)受到波束形成器電子封裝的實(shí)際原因的限制，一個(gè)有源相控陣大約有三個(gè)同時(shí)波束。每個(gè)波束形成器都有一個(gè)與之相連的接收器/激勵(lì)器。
（美國(guó)在阿拉斯加部署有源相控陣彈道導(dǎo)彈探測(cè)雷達(dá)。它于1979年完工，是首批有源相控陣?yán)走_(dá)之一。）
混合波束形成相控陣可以看作是AESA和數(shù)字波束形成相控陣的組合。它使用有源相控陣子陣列（例如，子陣列可以是64、128或256個(gè)單元，單元的數(shù)量取決于系統(tǒng)要求）。子陣列組合在一起形成完整的陣列。每個(gè)子陣列都有自己的數(shù)字接收器/激勵(lì)器。這種方法允許同時(shí)創(chuàng)建束簇。
數(shù)字波束形成相控陣在陣列中的每個(gè)單元上都有一個(gè)數(shù)字接收器/激勵(lì)器。每個(gè)元件上的信號(hào)由接收器/激勵(lì)器數(shù)字化。這意味著可以在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列或陣列計(jì)算機(jī)中以數(shù)字方式形成天線波束。這種方法允許同時(shí)形成多個(gè)天線波束。
相控陣的一種可能的存在方式稱為共形天線。其單個(gè)天線不是布置在平面上，而是安裝在曲面上。移相器補(bǔ)償由于天線元件在表面上的不同位置而導(dǎo)致的波的不同路徑長(zhǎng)度，從而允許陣列輻射平面波。共形天線用于飛機(jī)和導(dǎo)彈中，將天線集成到飛機(jī)的曲面中以減小氣動(dòng)阻力。
（當(dāng)相鄰天線之間的相位差在?120和120度之間掃掠時(shí)，顯示由15個(gè)天線單元組成的相隔四分之一波長(zhǎng)的相控陣輻射方向圖的動(dòng)畫(huà)。暗區(qū)是光束或主瓣，而圍繞它展開(kāi)的光線是副瓣。）
相控陣技術(shù)也應(yīng)用于民用領(lǐng)域。在廣播過(guò)程中，許多調(diào)幅廣播電臺(tái)都使用相控陣來(lái)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，從而提高覆蓋范圍，同時(shí)盡量減少對(duì)其他非廣播地區(qū)的信號(hào)干擾。由于白天和夜間電離層傳播在中波頻率上的差異，調(diào)幅廣播電臺(tái)通常在日出和日落時(shí)通過(guò)切換提供給各個(gè)天線單元（桅桿輻射器）的相位和功率水平來(lái)改變白天（地波）和夜間（天波）的輻射模式。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(jiàn)的排列方式是在4×4陣列中使用16個(gè)偶極子。通常這是在一個(gè)鐵絲網(wǎng)反射器前面。相位調(diào)整通常是可切換的，以允許在方位角和有時(shí)在仰角進(jìn)行波束控制。
無(wú)線電發(fā)燒友可使用較普通的相控陣長(zhǎng)線天線系統(tǒng)，從很遠(yuǎn)的距離接收長(zhǎng)波、中波和短波無(wú)線電廣播。
在更高頻上，相控陣廣泛用于調(diào)頻廣播。這大大增加了天線傳輸?shù)男Ч?，放大了發(fā)射到地平線的射頻能量，從而大大增加了電臺(tái)的廣播范圍。在這些情況下，到發(fā)射器的每個(gè)元件的距離是相同的，或者是一個(gè)（或其他整數(shù)）波長(zhǎng)間隔。對(duì)陣列進(jìn)行相位調(diào)整，使較低的單元稍微延遲（通過(guò)延長(zhǎng)到它們的距離）會(huì)導(dǎo)致波束向下傾斜，如果天線在無(wú)線電塔上相當(dāng)高，這是非常有用的。
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)中的向下輻射，產(chǎn)生零填充以補(bǔ)償極高的山頂位置，或者在近場(chǎng)中減少輻射，以防止這些工人或甚至附近的地面房主受到過(guò)度照射。后一種效果也是通過(guò)半波間距來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即在具有全波間距的現(xiàn)有元件中間插入額外元件。這種相位調(diào)整可獲得與全波間隔大致相同的水平增加；也就是說(shuō)，五單元全波間隔陣列等于九單元或十單元半波間隔陣列。
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)行表面探測(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，飛行中的每一枚地對(duì)空導(dǎo)彈都需要一個(gè)專(zhuān)用的火控雷達(dá)，這意味著雷達(dá)制導(dǎo)武器只能同時(shí)打擊少量目標(biāo)。在導(dǎo)彈飛行的中段階段，相控陣系統(tǒng)可以用來(lái)控制導(dǎo)彈。在飛行的終端部分，連續(xù)波火控指揮員向目標(biāo)提供最終制導(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，從而在同時(shí)控制多個(gè)飛行中導(dǎo)彈的同時(shí)，保持對(duì)多個(gè)目標(biāo)的火控質(zhì)量跟蹤。
（安裝在德國(guó)海軍薩克森級(jí)護(hù)衛(wèi)艦F220漢堡號(hào)上層建筑上的有源相控陣?yán)走_(dá)）
AN/SPY-1相控陣?yán)走_(dá)是部署在現(xiàn)代美國(guó)巡洋艦和驅(qū)逐艦上的宙斯盾作戰(zhàn)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(guò)100個(gè)目標(biāo)的能力。同樣，在法國(guó)和新加坡服役的泰雷茲-赫拉克勒斯相控陣多功能雷達(dá)也有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其跟蹤能力為200個(gè)目標(biāo)，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)為從艦上發(fā)射的MBDA Aster導(dǎo)彈提供中段制導(dǎo)更新。德國(guó)海軍和荷蘭皇家海軍開(kāi)發(fā)了有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。MIM-104愛(ài)國(guó)者和其他地面防空系統(tǒng)使用相控陣?yán)走_(dá)也有類(lèi)似的好處。
信使號(hào)飛船是一個(gè)前往水星的空間探測(cè)器任務(wù)。它是首次使用相控陣天線進(jìn)行通信的深空任務(wù)。輻射單元是圓極化的開(kāi)縫波導(dǎo)。這種天線使用X波段，使用了26個(gè)輻射單元。
自2003年4月23日以來(lái)，美國(guó)國(guó)家嚴(yán)重風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室一直在使用美國(guó)海軍提供的SPY-1A相控陣?yán)走_(dá)，在俄克拉荷馬州諾曼的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行天氣研究。希望這項(xiàng)研究能使人們更好地了解雷暴和龍卷風(fēng)，以增加對(duì)惡劣天氣的預(yù)警。該項(xiàng)目包括研究和開(kāi)發(fā)，未來(lái)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓和潛在的部署系統(tǒng)在整個(gè)美國(guó)。預(yù)計(jì)需要10到15年才能完成，初步建設(shè)約2500萬(wàn)美元。而日本理工高等計(jì)算科學(xué)研究所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始了使用相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行即時(shí)天氣預(yù)報(bào)新算法的實(shí)驗(yàn)工作。
（俄克拉荷馬州諾曼國(guó)家嚴(yán)重風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室的AN/SPY-1A雷達(dá)裝置。封閉的天線罩提供天氣保護(hù)。）
在電磁波的可見(jiàn)或紅外光譜范圍內(nèi)，可以構(gòu)造光學(xué)相控陣。它們用于波長(zhǎng)復(fù)用器和濾波器，用于通信目的，激光束控制和全息照相。合成陣列外差探測(cè)是一種將整個(gè)相控陣復(fù)用到單元件光電探測(cè)器上的有效方法。光學(xué)相控陣發(fā)射器中的動(dòng)態(tài)波束形成可用于電子光柵或矢量掃描圖像，而無(wú)需使用透鏡或無(wú)透鏡投影儀中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。光學(xué)相控陣接收器已被證明能夠通過(guò)選擇性地觀察不同的方向來(lái)充當(dāng)無(wú)透鏡相機(jī)。
相控陣裝置也被應(yīng)用于衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)收發(fā)機(jī)。星鏈?zhǔn)且粋€(gè)低地球軌道衛(wèi)星群計(jì)劃，從2020年開(kāi)始建設(shè)。它旨在為消費(fèi)者提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接，系統(tǒng)的用戶終端將使用相控陣天線。到2014年，相控陣天線已經(jīng)被集成到射頻識(shí)別系統(tǒng)中，使單個(gè)系統(tǒng)的覆蓋面積增加100%，達(dá)到76200平方米。因此星鏈計(jì)劃并不是異想天開(kāi)，只要各國(guó)允許其在太空外建設(shè)和不計(jì)成本，該項(xiàng)計(jì)劃是可以實(shí)現(xiàn)的。
2008年，東京大學(xué)Shinoda實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種稱為機(jī)載超聲觸覺(jué)顯示器的聲學(xué)換能器相控陣，用于誘導(dǎo)觸覺(jué)反饋。該系統(tǒng)被證明能夠使用戶交互操作虛擬全息物體。
相控陣?yán)走_(dá)最近被用于作為射電望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)，以提供許多光束，使射電望遠(yuǎn)鏡具有非常廣闊的視野。比如澳大利亞的ASKAP望遠(yuǎn)鏡和荷蘭的Apertif升級(jí)為Westerbork合成射電望遠(yuǎn)鏡。
總之相控陣技術(shù)多被用于軍事雷達(dá)系統(tǒng)，用來(lái)引導(dǎo)無(wú)線電波束快速穿越天空，探測(cè)飛機(jī)和導(dǎo)彈。這些系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用，并已推廣到民用領(lǐng)域。相控陣原理也應(yīng)用于聲學(xué)，聲學(xué)換能器的相控陣應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲成像掃描儀（相控陣超聲）、油氣勘探（反射地震學(xué)）和軍用聲納系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了由軍用轉(zhuǎn)向民用的廣闊前景，先進(jìn)技術(shù)有時(shí)并不只用于殺戮，運(yùn)用好了也能造福人類(lèi)。
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