了解毫米波相控陣 -- 之二

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了解毫米波相控陣 -- 之二



相控陣（Phased Array）技術(shù)是控制陣列天線各單元的相位、幅度，來形成對(duì)信號(hào)空間波束控制的技術(shù)。


相控陣技術(shù)起源于20世紀(jì)初發(fā)明的相控陣天線技術(shù)，并最早在軍用雷達(dá)技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著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(xiàn)定向收發(fā)

在天線“陣”被發(fā)明之前，電磁波的輻射通常被認(rèn)為是向外接近全向輻射的：發(fā)射信號(hào)能量以接近球面的方式向外擴(kuò)散。根據(jù)能量守恒，發(fā)射距離越遠(yuǎn)，球面半徑越大，單位面積得到的能量越小。當(dāng)能量小到一定程度，接收機(jī)將無法接收到有用信號(hào)。這就是空間傳輸中“路徑損耗”的主要來源之一。

當(dāng)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(jié)果是球面面積大，并且球面始終需要對(duì)準(zhǔn)發(fā)射源，不適用于發(fā)射、接收快速運(yùn)用的場(chǎng)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(hào)

于是，天線“陣”就被發(fā)明了出來。

天線陣是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，著名物理學(xué)家卡爾·費(fèi)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。布勞恩是陰極射線管的發(fā)明者，同時(shí)也是無線通信技術(shù)的先驅(qū)者。1909年，因?yàn)樵?a href="http://www.qingdxww.cn/keyword/無線電" target="_blank" class="relatedlink">無線電報(bào)技術(shù)中的貢獻(xiàn)，布勞恩與馬可尼分享了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在獲得諾貝爾獎(jiǎng)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?shù)碾姶挪�可以避免無謂的損耗，并且單方向的傳輸能量更強(qiáng)，傳播距離也更遠(yuǎn)。

布勞恩設(shè)計(jì)的天線陣系統(tǒng)包含3根垂直單極天線，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。通過控制輸入信號(hào)的相位，就可以實(shí)現(xiàn)三根天線發(fā)出的信號(hào)在三個(gè)方向上的疊加情況，從而實(shí)現(xiàn)天線向三個(gè)方向的分別定向發(fā)射。


圖：1905年布勞恩發(fā)布的天線陣系統(tǒng)，及其遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖

天線陣技術(shù)被發(fā)明后，受到了軍方極大的關(guān)注。其定向發(fā)射接收、不需要物理轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)、傳播距離遠(yuǎn)等特性非常適用于軍用雷達(dá)領(lǐng)域。于是在1920年左右，美國、德國等國家開始研究將天線陣應(yīng)用于軍事雷達(dá)中。在1941年，美方將天線陣?yán)走_(dá)SCR-270系統(tǒng)部署于珍珠港，該系統(tǒng)包含由32根天線構(gòu)成的天線陣列。雖然這個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)并沒有阻止住日本的攻擊，但天線陣?yán)走_(dá)的可行性得到了完整驗(yàn)證。在現(xiàn)代軍用系統(tǒng)中，相控陣系統(tǒng)已經(jīng)得到的廣泛應(yīng)用。


圖：（a）美軍1941年在珍珠港部署的SCR-270天線陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)
（b） 俄羅斯米格-35戰(zhàn)斗機(jī)裝備的甲蟲-AE相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)

“相控”技術(shù)：控制瞄準(zhǔn)方向

天線陣的引入為電磁波的定向收發(fā)提供基礎(chǔ)，但實(shí)現(xiàn)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(hào)時(shí)舉例，但天線陣系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)接收時(shí)，由于進(jìn)入各天線的信號(hào)經(jīng)過的傳輸路徑不同，如果直接相加，并不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完美加和。這個(gè)時(shí)候，就需要將各路信號(hào)進(jìn)行移相對(duì)齊后，再疊加起來。這個(gè)移相對(duì)齊的過程，就稱為“相控”。通過控制不同通路間的相位關(guān)系，就可以接收不同位置發(fā)出來的電磁波信號(hào)。


圖：接收通路中的相位控制

在發(fā)射信號(hào)時(shí)也是一樣，通過對(duì)輸入信號(hào)的相位設(shè)計(jì)，可以控制輸出信號(hào)在哪個(gè)方向進(jìn)行疊加。如此，如果需要變換發(fā)射角度時(shí)，只需要改變各信號(hào)的相位差。這樣就建立起信號(hào)發(fā)射角度與相位之間的聯(lián)系。

為簡單描述，以兩天線組織的陣列分析如下圖所示，當(dāng)兩天線發(fā)出的信號(hào)之間相位無偏移時(shí)，兩天線發(fā)出的信號(hào)在中間對(duì)稱處疊加，而在其他位置抵消，信號(hào)集中于垂直方向發(fā)射；當(dāng)兩天線信號(hào)有相位差時(shí)，以天線1的相位延遲大于天線2為例，天線2發(fā)出的信號(hào)超前于天線1，此時(shí)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(duì)發(fā)射信號(hào)的波束方向進(jìn)行控制。因?yàn)檫@種技術(shù)像是在對(duì)波束形狀進(jìn)行賦形，所以也被稱為“波束賦形（Beam forming）”技術(shù)。


圖：通過兩天線間信號(hào)相位差，對(duì)發(fā)射波束形狀進(jìn)行控制