相控阵

在天线理论中，相控阵通常是指电子扫描阵列，一种计算机控制的天线阵列。它可以产生一束无线电波，并在不移动天线的情况下通过电子控制指向不同的方向。 
在一个简单的阵列天线中，来自发射器的射频电流被馈送到具有适当相位关系的多个单独的天线元件，以便来自独立元件的无线电波组合（叠加）形成波束，以增加在所需方向上的辐射功率和抑制不希望的方向的辐射。在相控阵中，来自发射器的功率通过称为"移相器"的设备馈送到辐射元件，该设备由计算机系统控制，可以电子方式改变相位或信号延迟，从而将无线电波束转向不同的方向。由于天线阵列的尺寸必须扩展许多波长才能实现窄波束宽度所需的高增益，因此相控阵主要适用于无线电频谱的高频端，即特高频和微波频段，在这些频段中，工作波长较小，更为方便。
相控阵最初被设想用于军用雷达系统，以引导无线电波束快速穿过天空以探测飞机和导弹。这些系统现在被广泛使用，并已扩展到民用应用，例如用于手机的5G MIMO 。相控阵原理也用于声学，相控阵声换能器用于医学超声成像扫描仪（相控阵超声波）、油气勘探（反射地震学）和军用声纳系统。
术语“相控阵”有时也用于非转向阵列天线，其中馈电功率的相位以及因此天线阵列的辐射方向图是固定的。 例如，由多个桅杆辐射器组成的 AM 广播无线电天线馈电以产生特定的辐射图样，也称为“相控阵”。
类型.
相控阵有多种形式。最常见的四种是无源电子扫描阵列 (PESA)、有源电子扫描阵列 (AESA)、混合波束形成相控阵和数字波束形成 (DBF) 阵列。 
无源相控阵或无源电子扫描阵列(PESA)。其天线元件连接到单个发射器和/或接收器，如顶部的第一个动画所示。 PESA 是最常见的相控阵类型。一般来说，PESA 对整个阵列使用一个接收器/激励器。
有源相控阵或有源电子扫描阵列(AESA) 。其每个天线元件都有一个模拟发射器/接收器 (T/R) 模块 ，它产生电子控制天线波束所需的相移。有源阵列是更先进的第二代相控阵技术，用于军事应用；与 PESA 不同，它们可以同时向不同方向发射多个频率的无线电波束。然而，同时光束的数量受到光束形成器电子封装的实际原因的限制，对于 AESA 来说，同时光束的数量大约为三个。每个波束形成器都有一个与之连接的接收器/激励器。
混合波束形成相控阵是 AESA 和数字波束生成相控阵的组合。它使用有源相控阵的子阵（例如，子阵可以是 64、128 或 256 个单元，单元的数量取决于系统要求）。子阵列被组合以形成完整阵列。每个子阵列都有自己的数字接收器/激励器。这种方法允许创建同时波束的集群。
数字波束形成 (DBF) 相控阵在阵列中的每个单元处都有一个数字接收器/激励器。每个单元的信号由接收器/激励器数字化。这意味着天线波束可以在现场可编程门阵列 (FPGA) 或阵列计算机中以数字方式形成。这种方法允许形成多个同时的天线波束。
共形天线。其各个天线不是布置在平面上，而是安装在曲面上。由于天线元件在表面上的不同位置，移相器补偿了波的不同路径长度，从而允许阵列辐射平面波。共形天线用于飞机和导弹，将天线集成到飞机的曲面中以减少气动阻力。
历史.
相控阵传输最初由诺贝尔奖获得者卡尔·费迪南德·布劳恩于 1905 年提出，他展示了无线电波在一个方向上的增强传输。 二战期间，诺贝尔奖获得者路易斯·阿尔瓦雷斯（Luis Alvarez）在快速转向的雷达系统中使用相控阵传输来实现“地面控制进近”，这是一种帮助飞机着陆的系统。与此同时，德国 GEMA 建造了Mammut 1。 在剑桥大学行星际闪烁阵列开发了几个大型相控阵后，它后来被改编为射电天文学，从而为安东尼·休伊什和马丁·赖尔赢来了诺贝尔物理学奖。这种设计也用于雷达，并推广到干涉式无线电天线。
2004 年，加州理工学院的研究人员展示了第一个集成硅基相控阵接收器，频率24GHz，有8个单元。 随后在2005年，他们演示了 CMOS 24GHz 相控阵发射机，2006年又演示了一个完全集成的 77GHz 相控阵收发器。 2007 年， DARPA研究人员发布了一种 16 单元相控阵雷达天线，该天线还与所有必要的电路集成在单个硅芯片上，工作频率为 30-50 千兆赫。 
各个天线辐射的信号的相对幅度（以及建设性和破坏性干扰效应）决定了阵列的有效辐射方向图。相控阵可用于指向固定的辐射方向图，或在方位角或仰角上快速。 1957 年，加利福尼亚州休斯飞机公司的相控阵天线首次展示了同时进行方位角和仰角的电子扫描。 
应用.
广播.
在广播工程中，“相控阵”一词的含义与其正常含义不同，它是指普通的阵列天线，由多个桅杆辐射器组成的阵列，旨在辐射定向辐射模式，而不是单个桅杆辐射全向图案。广播相控阵具有固定的辐射方向图，并且在操作过程中不像其他相控阵那样“转向”。
许多AM 广播电台都使用相控阵来增强信号强度，从而增强许可城市的覆盖范围，同时最大限度地减少对其他区域的干扰。由于中波频率在白天和夜间电离层传播之间的差异，AM 广播电台通常通过切换提供给各个天线元件（桅杆）的相位和功率水平在白天（地波）和夜间（天波）辐射方向图散热器) 每天在日出和日落时。对于短波广播，许多电台使用水平偶极子阵列。一种常见的布置在 4×4 阵列中使用 16 个偶极子。通常这是在线栅反射器的前面。相位通常是可切换的，以允许在方位角和有时仰角上进行波束控制。
私人无线电爱好者可以使用更适中的相控阵长线天线系统来接收远距离的长波、中波 (AM) 和短波无线电广播。
在VHF上，相控阵广泛用于FM 广播。这些大大增加了天线增益，放大了向地平线发射的射频能量，从而大大增加了电台的广播范围。在这些情况下，从发射器到每个元件的距离是相同的，或者相隔一个（或其他整数）波长。对阵列进行定相以使较低的元素略微延迟（通过使与它们的距离更长）导致向下的波束倾斜，如果天线在无线电塔上相当高，这将非常有用。
其他相位调整可以在不倾斜主瓣的情况下增加远场的向下辐射，创建零点填充以补偿极高的山顶位置，或减少近场的辐射，以防止对那些工人甚至附近房主的过度暴露地面。后一种效果也是通过半波间距来实现的在现有元素之间以全波间距插入附加元素。这种定相实现了与全波间隔大致相同的水平增益；也就是说，一个五元全波间隔阵列等于一个九元或十元半波间隔阵列。
雷达.
许多海军的军舰也使用相控阵雷达系统。由于波束可以快速转向，相控阵雷达允许军舰使用一个雷达系统进行水面探测和跟踪（寻找船只）、空中探测和跟踪（寻找飞机和飞弹）以及飞弹上行链路能力。在使用这些系统之前，每枚飞行中的地对空导弹都需要一个专用的火控雷达，这意味着雷达制导武器只能同时攻击少量目标。相控阵系统可用于在导弹飞行的中途阶段控制导弹。在飞行的最后阶段，连续波火控指挥员为目标提供最后的指导。由于天线方向图是电子控制的，相控阵系统可以以足够快的速度引导雷达波束，以同时在许多目标上维持跟踪，同时还可以控制几枚飞行中的飞弹。
AN/SPY-1相控阵雷达是部署在现代美国巡洋舰和驱逐舰上的宙斯盾战斗系统的一部分，“能够同时执行搜索、跟踪和导弹制导功能，具有超过 100 个目标的能力。” 同样，在法国和新加坡服役的泰雷兹 Herakles相控阵多功能雷达具有 200 个目标的跟踪能力，能够在一次扫描中实现自动目标检测、确认和跟踪启动，同时提供中途制导从船上发射的MBDA Aster导弹的更新。 德国海军和荷兰皇家海军已经开发了有源相控阵雷达系统（APAR）。 MIM-104 Patriot和其他陆基防空系统使用相控阵雷达具有类似的优势。
相控阵用于海军声纳、有源（发射和接收）和无源（仅接收）以及船体安装和拖曳阵列声纳。
空间探测器通讯.
"信使"号宇宙飞船是对水星的太空探测任务（2011-2015 ）。这是第一个使用相控阵天线进行通信的深空任务。辐射元件是圆极化的开槽波导。该天线使用X 波段，使用了 26 个辐射元件，可以优雅地降级。 
天气研究用途.
自 2003 年 4 月 23 日以来，美国国家强风暴实验室一直在使用美国海军提供的 SPY-1A 相控阵天线在其位于俄克拉荷马州诺曼的设施进行天气研究。希望研究能够更好地了解雷暴和龙卷风，最终导致预警时间增加并加强对龙卷风的预测。目前的项目参与者包括国家强风暴实验室和国家气象局雷达操作中心、洛克希德马丁公司、美国海军、俄克拉荷马大学气象学院、电气和计算机工程学院以及大气雷达研究中心，俄克拉荷马州高等教育机构、联邦航空管理局和基本商业和工业。该项目包括研发、未来技术转让和该系统在美国的潜在部署。预计需要 10 到 15 年才能完成，初始建设费用约为 2500 万美元。 日本 RIKEN 计算科学研究所 (AICS) 的一个团队已经开始使用相控阵雷达和一种新算法进行即时天气预报的实验工作。 
光学.
在电磁波的可见或红外光谱范围内，可以构建光学相控阵。它们用于用于电信目的的波长多路复用器和滤波器、 激光束转向和全息术。合成阵列外差检测是将整个相控阵多路复用到单个元件光电探测器上的有效方法。光学相控阵发射器中的动态光束形成可用于电子光栅或矢量扫描图像，而无需在无透镜投影仪中使用透镜或机械移动部件。 光学相控阵接收器已被证明能够通过选择性地观察不同的方向来充当无镜头相机。 
卫星宽带互联网收发器.
Starlink是一个低地球轨道卫星星座，正在建设中 .它旨在为消费者提供宽带互联网连接；该系统的用户终端将使用相控阵天线。 
射频识别 (RFID).
到 2014 年，相控阵天线被集成到RFID系统中，将单个系统的覆盖面积增加 100%，达到76200平米时仍使用传统的无源UHF标签。 
人机界面 (HMI).
东京大学信田实验室于 2008 年开发了一种相控阵声学换能器，称为机载超声触觉显示器 (AUTD)，以诱导触觉反馈。 该系统被证明使用户能够交互地操纵虚拟全息对象。 
射电天文学.
相控阵馈源 (PAF) 最近已用于射电望远镜的焦点以提供许多光束，从而使射电望远镜具有非常宽的视场。两个例子是澳大利亚的ASKAP望远镜和荷兰Westerbork 合成射电望远镜的 Apertif 升级。
数学公式.
从数学上讲，相控阵是"N"狭缝衍射的一个例子，其中接收点的辐射场是一条直线上的"N"个点源相干相加的结果。由于每个单独的天线都充当狭缝，发射无线电波，因此可以通过将相移 φ 添加到边缘项来计算它们的衍射图。
我们将从衍射形式页面上导出的"N"狭缝衍射图案开始， formula_1大小相等的狭缝formula_2和间距formula_3 .
现在，将 φ 项添加到formula_5第二项的边缘效应产生：
取波函数的平方可以得到波的强度。
现在将发射器间隔一段距离formula_8分开。选择该距离是为了简化计算，但可以将其调整为波长的任何标量部分。