什么是相控阵列天线？

相控阵列天线是一组排列成阵列的单元天线，其像单个天线一样协同工作，通过电子方式控制发射无线电波，无需物理移动天线即可使其指向一个或多个方向。

在波束成形的过程中，相控阵列系统以相同频率从每个天线单元发送信号，但每个单元的相位和大小各不相同。这样做，就会在电磁波叠加时产生相长干涉和相消干涉，从而形成一种代表定向高增益波束的辐射方向图。

大多数相控阵列天线是平面的，由成百上千个天线单元组成，这些单元可能排列成一条线、一个平面，或者是三维立体结构。工程师会利用仿真驱动的高频电磁物理学来设计阵列元件、整体阵列配置，以及驱动天线的射频（RF）硬件和电子电路。 

相控阵列天线系统十分复杂且功能强大，包含电力电子设备、RF组件和天线设计。为了了解设计团队如何配置相控阵列天线系统，以及哪些应用最适合该技术，工程师应熟悉以下基础知识。

无线电波振幅、相位、频率和波长

无线电波是一种高频电磁辐射，其波形是正弦波，在大约3 KHz至3,000 GHz的带宽范围内振荡。此图显示了无线电波的基本特征：

波长是波在一个周期内传播的距离。幅度是波的最大值，而相位是每个波的峰值之间的差值，或者说是它们的时间延迟。相控阵列天线的频率通常是恒定的，只有微小的变化，但每个天线的相位和振幅都可以发生变化。

天线单元

天线单元是阵列中的单个天线。虽然有许多不同类型的天线单元可以用于组合形成阵列，但最常用的天线单元是贴片天线、微带贴片天线、波导喇叭或单极子天线。天线的工作频率决定了单元的尺寸和间距。

天线增益

天线增益是在给定方向上信号强度（振幅）与理论上理想各向同性辐射源相比的比值（理想各向同性辐射源，会把信号均匀地向所有方向发射）。

相控阵列天线波束形成器组件

波束形成器由电子和RF电路组成，用于将输入信号转换为可控的传输信号。无源相控阵列系统是最常见的相控阵列天线类型，其使用一系列组件，如发射器功率放大器、波束形成器和各个天线单元，将单个输入信号转换为指向所需方向的信号。波束形成器通常由衰减器、移相器或提供类似功能的组件组成。 

• 收发器功率放大器（PA）：输入信号被放大，以产生所需的放大信号，然后由接收器进行测量。
• 功率分配器：功率分配器将输入信号分成多个信号，以提供给每个天线单元电路。
• 衰减器：衰减器可根据需要增加或减少每个天线单元的振幅，这些衰减器可以是数字或模拟的器件，也可以是无源的或有源的。 
• 移相器：这些数字或模拟器件会给波形引入较小的延迟，这是控制波束的关键步骤。
• 天线单元：最后，信号到达天线单元，并以所需的相位和振幅传输。
• 低噪声放大器（LNA）：天线在被用作接收天线时，会含有低噪声放大器。
• 发送/接收开关：如果天线用于接收信号，开关将通过LNA而不是功率放大器来发送输入信号。

控制相控阵列的计算机，会以电子方式快速修改每个天线单元的振幅和相位，以便快速改变波束方向。

波束方向

波束方向是在合并每个天线单元的信号后，从天线原点指向最大信号幅度的点的方向。天线设计将使用两个角度来指定矢量：方位角是在与地平线平行的平面上的角度，俯仰角是指在地平面上抬起的角度。

波束宽度

信号振幅与波束扫描角的关系图上，会显示相控阵产生的驼峰形状，被称为波瓣的主波束和其他波束。波束宽度是指最强波瓣的宽度，以度（°）为单位。

有两种方法可用于测量波束宽度。第一种方法是测量从一个零点（波束幅度降为零的位置）到另一个零点的距离，被称为第一零点波束宽度（FNBW）。第二种方法是测量从峰值降低一半功率情况下的宽度，被称为半功率波束宽度（HPBW）。

波束控制和扫描

以电子方式设置波束方向被称为波束控制。当波束方向在辐射方向图上移动时，这被称为波束扫描。更复杂的相控阵列天线，能够以略微不同的频率在不同方向控制多个波束。

旁瓣

旁瓣是辐射方向图中除主波束之外的任意局部最大值。它们会消耗能量，并且造成干扰。阵列设计旨在最大限度地减小旁瓣的幅度。 

相控阵列天线有多种形式。业界专家会根据所用的拓扑和波束成形技术，对不同类型的相控阵列天线进行分类。

相控阵列拓扑

一种区分相控阵列系统类型的方法是，根据天线单元的相对位置对其进行分类。大多数系统都属于下列其中一种拓扑类型：

1. 线（1D）阵列：天线单元沿水平线排列，以更改波束的方位角；或沿垂直线排列，以控制俯仰角。
2. 平面（2D）阵列：天线单元排列在平面（平面结构）上，可以控制俯仰角和方位角，以覆盖天线上方的整个空间。
3. 3D阵列：天线单元呈立体排列，能够在任何方向上控制一个或多个波束。

波束成形器的类型

无源电子扫描阵列（PESA）：无源相控阵列，是整个阵列只有一个收发器的天线。这是最常见的相控阵列配置类型。

有源电子扫描阵列（AESA）：在有源相控阵列天线中，每个天线单元或单元子集都有一个模拟收发器模块，用于在每个单元中产生相移。这种更先进的方法通常用于军事应用。

数字波束成形（DBF）相控阵列：DBF阵列天线使用数字收发器模块来改变每个天线单元中的相位和振幅。它还可以产生多个波束，并使用FPGA芯片或阵列计算机，以数字方式形成天线辐射模式。此外，数字波束成形阵列还可以在辐射方向上形成零点（null），用于故意最大限度地降低接收灵敏度，减少已知方向上的相互干扰。

混合波束成形相控阵列：AESA和DBF方法可以结合使用，以形成混合波束成形相控阵列。这种方法包括子阵列。每个子阵列都使用一个模拟收发器，而且子阵列中的每个单元都有自己的数字收发器。这种方法，可以创建同步波束集群。

设计通信系统和传感器的工程师，使用相控阵列天线来创建具有空间选择性的无线射频信号源。天线阵列使系统能够实现以下一种或多种功能：

1. 组合多个天线单元，以创建大的孔径和更强的信号
2. 使用波束成形创建电子可控天线
3. 使用自适应、混合或数字波束成形创建同时指向多个方向的波束，并最大限度地减少与其他RF系统之间的干扰

与传统的机械控制反射面天线和桅杆天线相比，这些功能具有一些显著优势：

• 电子控制波束可以更快地扫描，或非常快速地切换波束方向。
• 与由大型抛物面组成，机械转向的反射面天线相比，相控阵列天线通常占用的空间更小，重量更轻，并且可以安装在车辆或建筑物的表面。
• 在大多数情况下，相控阵列系统还可利用更低的成本实现相同的性能水平，尤其是当集成电路（IC）用于波束成形或天线单元时。
• 可靠性：信道中的单个组件可能会发生故障，而不会影响整个天线系统的基本性能。事实上，与机械天线系统的单点故障问题相比，相控阵列系统的组件故障只会导致性能适度下降。
• 使用单个设备将信号指向多个方向。
• 由于每个天线单元的功率会相加在一起，因此它们的功率效率更高。

在这些优势的推动下，早期射频先驱者研发了相控阵雷达和射电天文阵列，这些阵列甚至能够放大由遥远恒星发出的非常微弱的信号。随着时间的推移，相控阵列应用的数量不断增加，包括用于其他航空航天系统以及医疗、汽车、工业和通信系统的天线。

多向阵列天线系统可实现：

• 现代4G和5G电信网络
• 未来的6G电信网络
• 最新的WiFi接入点
• 自动驾驶汽车雷达系统
• 治疗性医疗器械

如果没有仿真，即使是设计小型相控阵天线阵列也会十分困难。因此，对于拥有数千个天线单元的系统来说，仿真更是至关重要。从阵列间距到旁瓣损耗，如果一切依靠手动计算，将会举步维艰；在暗室中测量辐射方向图，也成本高昂且非常耗时。 

该仿真动画展示了，相控阵列天线在围绕地面站运行时，其最大增益如何动态地指向该区域 

通过仿真，工程师不仅可以设计阵列和波束成形组件，还可以优化系统的效率、成本和速度。团队还能够使用仿真来了解制造公差和材料变化对设计的影响。

工程师使用仿真工具来设计、验证和优化天线阵列、天线单元和波束成形组件。他们还可以对天线与整个系统的交互方式进行仿真。

全面、易用且准确的高频电磁学有限元工具，如Ansys HFSS高频电磁仿真软件，适用于相控阵列天线的几乎所有电磁相关环节。凭借强大的网格划分、并行求解器和专为阵列创建的工作流程，该软件堪称组件和系统级建模的黄金标准。HFSS软件可对从单个波导到整个装配体的信号传播等所有方面进行仿真，并在硬件可用之前就对天线进行建模。

Ansys Perceive EM射频信道和雷达特征仿真软件等应用中采用的弹跳射线法，使用户能够对其天线在远距离和障碍物周围（如仓库中的货架或城市中的建筑物等）的性能进行建模，从而将仿真提升到一个新的水平。在设计天线系统时，负责评估其本地安装影响的团队，会使用HFSS软件中的弹跳射线法（SBR）功能来分析天线与发射塔、建筑物或车辆的自耦合效应。工程师还可以利用系统级工具，如Ansys RF信道建模器高保真度无线信道建模软件，借助仿真来对其天线设计在网络中的工作方式进行建模。

设计团队在理解并优化电磁特性后，需要了解相控阵列系统的热和结构响应。他们可以使用诸如Ansys Mechanical结构有限元分析（FEA）软件或Ansys Icepak电子冷却仿真软件等工具，这些工具可与高频电磁求解器连接。如果天线安装在车辆或飞机上，他们可能需要使用CFD工具，如Ansys Fluent流体仿真软件，来了解和设计高速空气动力载荷。 

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