相控阵波束赋形，阵列天线设计实例 留言

无线电子系统依赖于天线发送和接收信号已经运行100多年了。随着对精度、效率和更高级指标的需求变得越来越重要，这些电子系统继续在改进和完善。

抛物面天线已被广泛用于发射(Tx)和接收(Rx)信号，其中方向性至关重要，并且这些系统在经过多年优化后能以相对低的成本良好运行。这些抛物面天线拥有一个用于旋转辐射方向的机械臂，它们确实存在一些缺点，包括转向慢、体积大、长期可靠性差，以及仅具有一个符合要求的辐射方向图。

因此，工程师们已转向先进的相控阵天线技术来改进这些特征并增加新的功能。相控阵天线采用电动转向机制，相比于传统的机械转向天线具有诸多优点，例如：低剖面/体积小，更高的长期可靠性，快速转向和多波束等。凭借这些优势，相控阵天线已经在军事、卫星通信、车联网、5G通信等领域得到广泛应用。

相控阵天线是组装在一起的天线阵元的集合，其中，每个单元的辐射图在结构上与相邻天线的辐射图合成形成称为主瓣的有效辐射图。主瓣在期望的方向辐射能量，而天线设计的目的是在不需要的方向上形成零点和旁瓣。

天线阵列设计用于最大化主瓣辐射的能量，同时将旁瓣辐射的能量降低到可接受的水平。可以通过改变馈入到每个天线单元的信号的相位来控制辐射方向。图1显示了如何调整每个天线中信号的相位，将有效波束控制在线性阵列目标方向上。结果是阵列中的每个天线具有独立的相位和幅度设置以形成期望的辐射方向图。

由于没有机械运动部件，所以很容易理解相控阵中波束快速转向的属性。基于IC的半导体相位调整可以在几纳秒内完成，这样我们就可以改变辐射图的方向，针对新的威胁或用户快速做出响应。

类似地，我们可以从辐射波束变为有效零点以吸收干扰物的信号，使该物体看起来不可见。重新定位辐射方向图或改变为有效零点，这些变化几乎可以立即完成，因为我们可以使用基于IC的器件而非机械部件，以电气方式改变相位设置。相

控阵天线相比机械天线的另一个优势是它能同时辐射多个波束，因而可以跟踪多个目标或管理多个通道的用户数据。这是通过在基带频率下对多个数据流进行数字信号处理来实现的。

阵列设计实例

下面阵列的实现方式使用以等间隔行列配置的贴片天线元件，采用4×4式设计，总共有16个阵元。图2所示为一个小型4×4阵列，其中，贴片天线为辐射器。在地面雷达系统中，这种天线阵列可以变得非常大，可能有超过100,000个阵元。

在设计时要考虑阵列大小与每个辐射元件的功率之间的权衡关系，这些会影响波束的方向性和有效辐射功率，可以通过考察一些常见的参数来预测天线的性能。

天线设计人员会考察天线增益、有效各向辐射功率(EIRP)及Gt/Tn。有一些基础等式可用于描述以下等式中所示的这些参数。我们可以看到，天线增益和EIRP与阵列中元件的数量成正比。

其中，

N：单元数量

Ge：单元天线增益

Gt：天线阵增益

Pt：总的发射功率

Pe：单元天线功率

Tn：噪声温度

相控阵天线设计的另一个关键方面是天线阵元的间隔。一旦我们通过设定阵元数量确定了系统目标，物理阵列直径很大程度上取决于每个单元构件的大小限制，其要小于大约二分之一波长，因为这样可以防止栅瓣。栅瓣相当于在无用方向上辐射的能量。

这对用于阵列的电子器件提出了严格的要求，必须做到体积小、功率低、重量轻。半波长间隔在较高频率下对设计特别具有挑战性，因为其中每个单元构件的长度会变小。这推高了更高频率IC的集成度，促使封装解决方案变得更加先进，并且使困难不断增加的散热管理技术得到了简化。