本文要點(diǎn)

相控陣天線是一種具有電子轉(zhuǎn)向功能的天線陣列，不需要天線進(jìn)行任何物理移動(dòng)，即可改變輻射信號(hào)的方向和形狀。這種電子轉(zhuǎn)向要?dú)w功于陣列中每個(gè)天線的輻射信號(hào)之間的相位差。

相控陣天線的基本原理是兩個(gè)或多個(gè)輻射信號(hào)出現(xiàn)依賴相位的疊加。當(dāng)信號(hào)同相時(shí)，它們會(huì)結(jié)合在一起，形成一個(gè)幅度相加的信號(hào)。當(dāng)信號(hào)反相時(shí)，它們會(huì)相互抵消。

共有三種類型的相控陣天線：線性陣列、平面陣列、 頻率掃描陣列。

相控陣天線在 5G 通信技術(shù)中的應(yīng)用日益普及

您是否觀察過螞蟻搬運(yùn)方糖的過程？與螞蟻的體型相比，方糖的尺寸要大得多。自然界中螞蟻的這種行為證明，一支軍隊(duì)朝著同一方向合作，可以在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)成同一目標(biāo)。

在無線傳輸中，天線陣列的功能也基于同樣的理念：人多力量大。相控陣天線就是根據(jù)這一原理運(yùn)行的，與單個(gè)天線相比，它們的信號(hào)強(qiáng)度、增益、指向性和性能會(huì)更好一些。

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相控陣天線是如何工作的？

相控陣天線包括多個(gè)發(fā)射器，用于高頻射頻應(yīng)用中的波束成形。相控陣天線有三個(gè)常見的應(yīng)用領(lǐng)域：WiFi、啁啾雷達(dá)和 5G。相控陣天線中的發(fā)射器數(shù)量可以從幾個(gè)到幾千個(gè)不等。使用相控陣天線的目的是利用兩個(gè)或多個(gè)輻射信號(hào)之間的建設(shè)性干擾來控制發(fā)射波束的方向。這在天線界稱為“波束成形”。

相控陣天線通過調(diào)整發(fā)送到陣列中每個(gè)發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差來實(shí)現(xiàn)波束成形。因此，不需要天線進(jìn)行任何物理移動(dòng)，就可以控制輻射方向，使其指向一個(gè)目標(biāo)。這意味著沿某一特定方向的波束成形是全向發(fā)射器之間的干擾效應(yīng)，例如 WiFi 中使用的偶極子天線。

這種相控陣天線包含多個(gè)發(fā)射器，產(chǎn)生一個(gè)高度定向的輻射方向。

當(dāng)相控陣中每個(gè)發(fā)射器發(fā)射的信號(hào)完全同相時(shí)，它們會(huì)發(fā)生建設(shè)性干擾，產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，但這只發(fā)生在特定的方向上。這個(gè)方向是通過設(shè)置發(fā)送到不同發(fā)射器的信號(hào)之間的相移來控制的。要控制相移，對(duì)于發(fā)送到陣列中一系列連續(xù)發(fā)射器的信號(hào)，需要在它們之間設(shè)置一個(gè)輕微的時(shí)間延遲。在主波束發(fā)射方向之外，波束強(qiáng)度下降。由于信號(hào)是周期性的，所以在波束方向圖中也會(huì)存在旁瓣，但確實(shí)可以沿著一個(gè)特定的方向得到一個(gè)非常強(qiáng)的波束。

對(duì)比單極子天線和由單極子天線組成的相控陣天線。單極子天線在垂直于天線軸線的平面內(nèi)向所有方向發(fā)射信號(hào)。當(dāng)多個(gè)單極子天線構(gòu)成相控陣時(shí)，波面會(huì)相互干擾，形成一個(gè)平坦的相位波面。

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相控陣技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

相控陣天線的波束成形在高頻率（大約等于或高于 WiFi 頻率）下是必要的，用于克服傳輸過程中的損失。有了大小合適的相控陣天線，高增益發(fā)射器的輻射可以指向一個(gè)廣泛的立體角。

相控陣技術(shù)有助于增強(qiáng)集體信號(hào)或輻射方向圖的特征。來自輻射器的單個(gè)信號(hào)和來自相控陣天線的集體信號(hào)的特征就像彼此分離的兩極。形成陣列后，各種參數(shù)和數(shù)量都有所提升，具體可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

1. 功率：聚合信號(hào)的功率是單個(gè)信號(hào)功率的總和，因此，強(qiáng)度會(huì)增加。

2. 波束成形：波束的形狀可以由單個(gè)信號(hào)的相位差來控制，與單個(gè)天線相比，相控陣天線的輻射方向圖更窄。

3. 波束轉(zhuǎn)向：無需機(jī)械轉(zhuǎn)向，因此波束轉(zhuǎn)向或波束定位十分靈活。波束轉(zhuǎn)向是通過電子可變移相器實(shí)現(xiàn)的。

4. 多波束：在移相器的幫助下，相控陣天線可以合成數(shù)百個(gè)波束。

5. 可選數(shù)字/混頻器方案：移相可以通過模擬或數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。模擬移相器依靠的是信號(hào)的下變頻和時(shí)移。數(shù)字方式指的是對(duì)中頻 (IF) 混頻器或本地振蕩器 (LO) 信號(hào)進(jìn)行移相。

6. 重量：相控陣天線的重量比機(jī)械轉(zhuǎn)向的單個(gè)天線要輕。

7. 成本：機(jī)械轉(zhuǎn)向的天線可以用價(jià)格較低的相控陣天線取代，但分辨率保持不變。

8. 可靠性：相控陣天線的可靠性要比單個(gè)天線高得多。如果一個(gè)陣列天線受損，陣列中的其余天線將繼續(xù)運(yùn)行，但輻射方向圖會(huì)有輕微的改變。

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相控陣天線的類型

根據(jù)單個(gè)天線的排列方式和移相器的數(shù)量，相控陣天線可分為三種類型。具體如下：

線性陣列

陣列元件擺放呈一條直線，有一個(gè)單相移位器。即使天線的排列很簡(jiǎn)單，但波束轉(zhuǎn)向也只限于一個(gè)平面。幾個(gè)線性陣列垂直排列可以形成平面天線。

線性陣列天線

平面陣列

對(duì)于平面陣列中的每個(gè)天線，都配有一個(gè)移相器。各個(gè)天線呈矩陣排列，形成了平面排列。波束可以在兩個(gè)平面上偏轉(zhuǎn)。平面陣列天線的缺點(diǎn)是需要大量的移相器。

平面陣列天線：a)側(cè)視圖 b)俯視圖

頻率掃描陣列

如果波束轉(zhuǎn)向控制是發(fā)射器頻率的一個(gè)函數(shù)，那么利用這種技術(shù)的相控陣天線就可稱為頻率掃描陣列天線。頻率掃描陣列天線中沒有移相器，波束轉(zhuǎn)向由發(fā)射器的頻率控制。

a) 頻率掃描陣列天線結(jié)構(gòu) b) 波束的傳播方向

未來的 5G 通信需要運(yùn)用各種關(guān)鍵技術(shù)，如多點(diǎn)接入、多波束、高增益和超密集網(wǎng)絡(luò)。天線設(shè)計(jì)師準(zhǔn)備利用相控陣天線來滿足未來無線通信系統(tǒng)的要求。

值得一提的是，提供電子轉(zhuǎn)向的相控陣技術(shù)是射頻無線通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)資產(chǎn)。有了相控陣天線，就可以在不損失分辨率的情況下以電子方式增強(qiáng)發(fā)射或接收波束的方向、強(qiáng)度和形狀。