相控陣天線

相控陣天線，這個術(shù)語乍聽起來可能有些復(fù)雜，但它實(shí)際上是一項(xiàng)改變了現(xiàn)代通信和雷達(dá)技術(shù)的革命性技術(shù)?，F(xiàn)代通信生活中處處都有相控陣天線的身影，如與我們息息相關(guān)的5G通信和氣象預(yù)報(bào)，或者我們不太熟悉的衛(wèi)星通信和軍事導(dǎo)彈攔截，相控陣天線都是這些系統(tǒng)中不可或缺的一部分。可以說，沒有相控陣天線，就沒有如今我們?nèi)绱吮憷耐ㄐ派睢?/p>

相控陣天線的發(fā)展歷史

相控陣天線的概念最早可以追溯到20世紀(jì)初期，但真正的技術(shù)突破發(fā)生在20世紀(jì)中期。二戰(zhàn)期間，雷達(dá)技術(shù)的迅猛發(fā)展為相控陣天線的研究打下了基礎(chǔ)。雷達(dá)系統(tǒng)依賴于天線來發(fā)射和接收無線電波用于探測目標(biāo)物體的位置、速度和其他特性。傳統(tǒng)的機(jī)械雷達(dá)天線需要通過物理旋轉(zhuǎn)天線來改變波束方向來瞄準(zhǔn)空間中的物體以進(jìn)行跟蹤和觀察，但這種方法速度慢且易受機(jī)械故障的影響。

在20世紀(jì)40年代，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們開始探索如何通過電子手段來控制無線電波的方向。這個想法催生了相控陣天線的早期概念。通過調(diào)節(jié)天線陣列中每個單元（即陣元）發(fā)射信號的相位，可以實(shí)現(xiàn)不需機(jī)械運(yùn)動的波束控制，這在理論上大大提高了雷達(dá)系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

在冷戰(zhàn)期間，軍事需求推動了相控陣天線技術(shù)的發(fā)展。美蘇兩國都在積極研究這種技術(shù)，以期在雷達(dá)和通信領(lǐng)域獲得優(yōu)勢。1960年代，美國推出了第一個實(shí)用的相控陣?yán)走_(dá)——AN/FPS-85，這標(biāo)志著相控陣天線技術(shù)進(jìn)入了實(shí)用階段。AN/FPS-85可以同時(shí)探測、跟蹤和識別多達(dá)200顆衛(wèi)星。其產(chǎn)生的輸出功率為32兆瓦，是世界上功率最大的雷達(dá)，也是唯一能夠跟蹤深空軌道衛(wèi)星的相控陣?yán)走_(dá)。雷達(dá)可以跟蹤距離超過22,000 海里遠(yuǎn)的籃球大小的物體，這在當(dāng)時(shí)是一個巨大的技術(shù)突破。與此同時(shí)，蘇聯(lián)也在積極發(fā)展相控陣技術(shù)。他們的Duga雷達(dá)系統(tǒng)，是一種巨大的相控陣?yán)走_(dá)，專門用于探測洲際彈道導(dǎo)彈的發(fā)射。但因?yàn)樗ぷ髟诙滩l段，它隨機(jī)的調(diào)頻在短波無線電頻段上產(chǎn)生了大量干擾。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和計(jì)算能力的飛速發(fā)展，相控陣天線變得更加高效和實(shí)用。現(xiàn)代相控陣天線不僅在軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，還在通信、氣象、天文學(xué)等民用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

相控陣天線的工作原理

相控陣天線由多個天線單元（稱為陣元）組成，其核心在于相位控制。每個天線單元發(fā)射的信號相位可以通過電子方式，如利用FPGA控制的多比特移相器等進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，通過調(diào)整各個陣元的相位，相控陣天線能夠改變電磁波的方向，電磁波會在特定方向上增強(qiáng)，而在其他方向上相互抵消，從而形成一個指向性很強(qiáng)的波束，以實(shí)現(xiàn)波束掃描。這種電子掃描不僅速度快，而且沒有機(jī)械磨損，可靠性更高。相控陣天線也可以實(shí)現(xiàn)多波束同時(shí)掃描，大大提高了工作效率。例如，在雷達(dá)系統(tǒng)中，相控陣天線可以在毫秒級別的時(shí)間內(nèi)完成從一個方向到另一個方向的掃描，這種快速掃描能力使得雷達(dá)能夠同時(shí)監(jiān)視多個目標(biāo)并實(shí)時(shí)更新目標(biāo)信息。相控陣天線可以比喻成一支高度協(xié)作的樂隊(duì)。每個天線單元就像樂隊(duì)中的樂手，通過精確控制每個單元的相位，就像樂手們調(diào)整各自的節(jié)奏。當(dāng)所有“樂手”完美協(xié)作時(shí)，他們共同演奏出一首和諧的“樂曲”（即定向波束）。這種協(xié)同作用使得相控陣天線能夠靈活、迅速地改變波束的方向，就像樂隊(duì)能夠迅速變換樂章一樣，既能專注于一個目標(biāo)，也能同時(shí)“演奏”多個不同的“旋律”（即實(shí)現(xiàn)多波束掃描）。

相控陣天線的實(shí)際應(yīng)用

民用5G通信

5G網(wǎng)絡(luò)需要高速、大容量和低延遲的通信服務(wù)，而相控陣天線能夠?qū)崿F(xiàn)高效的波束成形和波束追蹤，可以極大提高信號傳輸效率和覆蓋范圍。相控陣天線也可以根據(jù)用戶的位置和需求動態(tài)調(diào)整波束方向，從而實(shí)現(xiàn)更高效的頻譜利用和更好的通信質(zhì)量。所以，相控陣天線已經(jīng)成為5G通信的核心技術(shù)之一。在高密度城市環(huán)境中，5G基站也通過相控陣天線可以同時(shí)向多個用戶提供高速數(shù)據(jù)傳輸，而不會相互干擾。此外，相控陣天線還可以用于毫米波頻段的通信，這種高頻段的信號雖然傳播距離較短，但通過相控陣技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度的波束控制，從而在局部區(qū)域內(nèi)提供高速穩(wěn)定的通信服務(wù)。

天文觀測

天文學(xué)家也利用相控陣天線陣列來觀測宇宙中的各種天體和星體活動，從而獲得高分辨率的天文圖像并對其進(jìn)行分析。例如，美國國家射電天文臺的甚大天線陣（VLA）就是一個著名的相控陣天線系統(tǒng)。VLA由27個獨(dú)立的射電望遠(yuǎn)鏡組成，通過相控陣技術(shù)，這些望遠(yuǎn)鏡可以協(xié)同工作，形成一個巨大的虛擬望遠(yuǎn)鏡，能夠觀測到極其微弱的宇宙射電信號，揭示宇宙深處的奧秘。

總結(jié)

相控陣天線作為一種先進(jìn)的天線技術(shù)不僅提高了雷達(dá)和通信系統(tǒng)的性能，還開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。從5G通信到衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，從氣象預(yù)報(bào)到天文觀測，相控陣天線正在以其獨(dú)特的優(yōu)勢改變我們的生活。隨著科技的不斷進(jìn)步，相控陣天線也將在更多領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，同時(shí)為我們的生活帶來更多便利。

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作者：孫泓寬 上海交通大學(xué)電子信息專業(yè)

審核：崔原豪 南方科技大學(xué) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能制造學(xué)院 副研究員