為了提高無線通信和雷達系統的性能，對天線架構的需求在不斷增長。相比于傳統的機械控制拋物面天線，在新型應用中需要功耗更小，剖面更低的天線。除了這些需求之外，還需要快速重新定位到新的威脅或用戶，傳輸多個通道，并且有更長的使用期限。

基于陣列的相控天線設計正在席卷整個行業，使得這些挑戰得以實現。先進的半導體技術正在解決相控陣天線過去的缺點，最終在尺寸、重量和功率方面有所降低。

本文將簡要介紹現有的天線解決方案以及電控天線具有的優勢。然后，將介紹半導體技術如何幫助實現改進電控天線的SWaP-C的目標，接下來是以ADI技術的實例來介紹。

引言

無線電子系統依賴于天線發送和接收信號已經運行100多年了。隨著對精度、效率和更高級指標的需求變得越來越重要，這些電子系統繼續在改進和完善。

拋物面天線已被廣泛用于發射(Tx)和接收(Rx)信號，其中方向性至關重要，并且這些系統在經過多年優化后能以相對低的成本良好運行。這些拋物面天線擁有一個用于旋轉輻射方向的機械臂，它們確實存在一些缺點，包括轉向慢、體積大、長期可靠性差，以及僅具有一個符合要求的輻射方向圖。

因此，工程師們已轉向先進的相控陣天線技術來改進這些特征并增加新的功能。相控陣天線采用電動轉向機制，相比于傳統的機械轉向天線具有諸多優點，例如：低剖面/體積小，更高的長期可靠性，快速轉向和多波束等。憑借這些優勢，相控陣天線已經在軍事、衛星通信、車聯網、5G通信等領域得到廣泛應用。

相控陣技術

相控陣天線是組裝在一起的天線陣元的集合，其中，每個單元的輻射圖在結構上與相鄰天線的輻射圖合成形成稱為主瓣的有效輻射圖。主瓣在期望的方向輻射能量，而天線設計的目的是在不需要的方向上形成零點和旁瓣。

天線陣列設計用于最大化主瓣輻射的能量，同時將旁瓣輻射的能量降低到可接受的水平?？梢酝ㄟ^改變饋入到每個天線單元的信號的相位來控制輻射方向。圖1顯示了如何調整每個天線中信號的相位，將有效波束控制在線性陣列目標方向上。結果是陣列中的每個天線具有獨立的相位和幅度設置以形成期望的輻射方向圖。

圖1相控陣單元基本理論框圖

由于沒有機械運動部件，所以很容易理解相控陣中波束快速轉向的屬性?；贗C的半導體相位調整可以在幾納秒內完成，這樣我們就可以改變輻射圖的方向，針對新的威脅或用戶快速做出響應。

類似地，我們可以從輻射波束變為有效零點以吸收干擾物的信號，使該物體看起來不可見。重新定位輻射方向圖或改變為有效零點，這些變化幾乎可以立即完成，因為我們可以使用基于IC的器件而非機械部件，以電氣方式改變相位設置。相

控陣天線相比機械天線的另一個優勢是它能同時輻射多個波束，因而可以跟蹤多個目標或管理多個通道的用戶數據。這是通過在基帶頻率下對多個數據流進行數字信號處理來實現的。

陣列設計實例

下面陣列的實現方式使用以等間隔行列配置的貼片天線元件，采用4×4式設計，總共有16個陣元。圖2所示為一個小型4×4陣列，其中，貼片天線為輻射器。在地面雷達系統中，這種天線陣列可以變得非常大，可能有超過100,000個陣元。

圖24×4單元陣列的輻射方向圖展示

在設計時要考慮陣列大小與每個輻射元件的功率之間的權衡關系，這些會影響波束的方向性和有效輻射功率，可以通過考察一些常見的參數來預測天線的性能。

天線設計人員會考察天線增益、有效各向輻射功率(EIRP)及Gt/Tn。有一些基礎等式可用于描述以下等式中所示的這些參數。我們可以看到，天線增益和EIRP與陣列中元件的數量成正比。

其中，

N：單元數量

Ge：單元天線增益

Gt：天線陣增益

Pt：總的發射功率

Pe：單元天線功率

Tn：噪聲溫度

相控陣天線設計的另一個關鍵方面是天線陣元的間隔。一旦我們通過設定陣元數量確定了系統目標，物理陣列直徑很大程度上取決于每個單元構件的大小限制，其要小于大約二分之一波長，因為這樣可以防止柵瓣。柵瓣相當于在無用方向上輻射的能量。

這對用于陣列的電子器件提出了嚴格的要求，必須做到體積小、功率低、重量輕。半波長間隔在較高頻率下對設計特別具有挑戰性，因為其中每個單元構件的長度會變小。這推高了更高頻率IC的集成度，促使封裝解決方案變得更加先進，并且使困難不斷增加的散熱管理技術得到了簡化。

本文為用戶翻譯內容，便于大家學習理解，原文作者:Keith Benson，本文未完待續... 今日給“雷達通信電子戰”微信公眾號發送“190830”或者點擊“閱讀原文”查看更多相控陣相關知識。

總結

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