相控阵天线

相控阵天线，这个术语乍听起来可能有些复杂，但它实际上是一项改变了现代通信和雷达技术的革命性技术。现代通信生活中处处都有相控阵天线的身影，如与我们息息相关的5G通信和气象预报，或者我们不太熟悉的卫星通信和军事导弹拦截，相控阵天线都是这些系统中不可或缺的一部分。可以说，没有相控阵天线，就没有如今我们如此便利的通信生活。

相控阵天线的发展历史

相控阵天线的概念最早可以追溯到20世纪初期，但真正的技术突破发生在20世纪中期。二战期间，雷达技术的迅猛发展为相控阵天线的研究打下了基础。雷达系统依赖于天线来发射和接收无线电波用于探测目标物体的位置、速度和其他特性。传统的机械雷达天线需要通过物理旋转天线来改变波束方向来瞄准空间中的物体以进行跟踪和观察，但这种方法速度慢且易受机械故障的影响。

在20世纪40年代，随着电子技术的进步，科学家们开始探索如何通过电子手段来控制无线电波的方向。这个想法催生了相控阵天线的早期概念。通过调节天线阵列中每个单元（即阵元）发射信号的相位，可以实现不需机械运动的波束控制，这在理论上大大提高了雷达系统的灵活性和可靠性。

在冷战期间，军事需求推动了相控阵天线技术的发展。美苏两国都在积极研究这种技术，以期在雷达和通信领域获得优势。1960年代，美国推出了第一个实用的相控阵雷达——AN/FPS-85，这标志着相控阵天线技术进入了实用阶段。AN/FPS-85可以同时探测、跟踪和识别多达200颗卫星。其产生的输出功率为32兆瓦，是世界上功率最大的雷达，也是唯一能够跟踪深空轨道卫星的相控阵雷达。雷达可以跟踪距离超过22,000 海里远的篮球大小的物体，这在当时是一个巨大的技术突破。与此同时，苏联也在积极发展相控阵技术。他们的Duga雷达系统，是一种巨大的相控阵雷达，专门用于探测洲际弹道导弹的发射。但因为它工作在短波频段，它随机的调频在短波无线电频段上产生了大量干扰。

进入21世纪后，随着半导体技术和计算能力的飞速发展，相控阵天线变得更加高效和实用。现代相控阵天线不仅在军事领域广泛应用，还在通信、气象、天文学等民用领域发挥着重要作用。

相控阵天线的工作原理

相控阵天线由多个天线单元（称为阵元）组成，其核心在于相位控制。每个天线单元发射的信号相位可以通过电子方式，如利用FPGA控制的多比特移相器等进行精确调节，通过调整各个阵元的相位，相控阵天线能够改变电磁波的方向，电磁波会在特定方向上增强，而在其他方向上相互抵消，从而形成一个指向性很强的波束，以实现波束扫描。这种电子扫描不仅速度快，而且没有机械磨损，可靠性更高。相控阵天线也可以实现多波束同时扫描，大大提高了工作效率。例如，在雷达系统中，相控阵天线可以在毫秒级别的时间内完成从一个方向到另一个方向的扫描，这种快速扫描能力使得雷达能够同时监视多个目标并实时更新目标信息。相控阵天线可以比喻成一支高度协作的乐队。每个天线单元就像乐队中的乐手，通过精确控制每个单元的相位，就像乐手们调整各自的节奏。当所有“乐手”完美协作时，他们共同演奏出一首和谐的“乐曲”（即定向波束）。这种协同作用使得相控阵天线能够灵活、迅速地改变波束的方向，就像乐队能够迅速变换乐章一样，既能专注于一个目标，也能同时“演奏”多个不同的“旋律”（即实现多波束扫描）。

相控阵天线的实际应用

民用5G通信

5G网络需要高速、大容量和低延迟的通信服务，而相控阵天线能够实现高效的波束成形和波束追踪，可以极大提高信号传输效率和覆盖范围。相控阵天线也可以根据用户的位置和需求动态调整波束方向，从而实现更高效的频谱利用和更好的通信质量。所以，相控阵天线已经成为5G通信的核心技术之一。在高密度城市环境中，5G基站也通过相控阵天线可以同时向多个用户提供高速数据传输，而不会相互干扰。此外，相控阵天线还可以用于毫米波频段的通信，这种高频段的信号虽然传播距离较短，但通过相控阵技术可以实现高精度的波束控制，从而在局部区域内提供高速稳定的通信服务。

天文观测

天文学家也利用相控阵天线阵列来观测宇宙中的各种天体和星体活动，从而获得高分辨率的天文图像并对其进行分析。例如，美国国家射电天文台的甚大天线阵（VLA）就是一个著名的相控阵天线系统。VLA由27个独立的射电望远镜组成，通过相控阵技术，这些望远镜可以协同工作，形成一个巨大的虚拟望远镜，能够观测到极其微弱的宇宙射电信号，揭示宇宙深处的奥秘。

总结

相控阵天线作为一种先进的天线技术不仅提高了雷达和通信系统的性能，还开辟了许多新的应用领域。从5G通信到卫星互联网，从气象预报到天文观测，相控阵天线正在以其独特的优势改变我们的生活。随着科技的不断进步，相控阵天线也将在更多领域发挥更大作用，同时为我们的生活带来更多便利。

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作者：孙泓宽 上海交通大学电子信息专业

审核：崔原豪 南方科技大学 系统设计与智能制造学院 副研究员