技術(shù)資訊 I 相控陣天線：原理、優(yōu)勢和類型

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，即可改變輻射信號的方向和形狀。這種電子轉(zhuǎn)向要?dú)w功于陣列中每個天線的輻射信號之間的相位差。

相控陣天線的基本原理是兩個或多個輻射信號出現(xiàn)依賴相位的疊加。當(dāng)信號同相時，它們會結(jié)合在一起，形成一個幅度相加的信號。當(dāng)信號反相時，它們會相互抵消。

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，與單個天線相比，它們的信號強(qiáng)度、增益、指向性和性能會更好一些。

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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)量可以從幾個到幾千個不等。使用相控陣天線的目的是利用兩個或多個輻射信號之間的建設(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)送到陣列中每個發(fā)射器的驅(qū)動信號的相位差來實(shí)現(xiàn)波束成形。因此，不需要天線進(jìn)行任何物理移動，就可以控制輻射方向，使其指向一個目標(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發(fā)射器，產(chǎn)生一個高度定向的輻射方向。

當(dāng)相控陣中每個發(fā)射器發(fā)射的信號完全同相時，它們會發(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。這個方向是通過設(shè)置發(fā)送到不同發(fā)射器的信號之間的相移來控制的。要控制相移，對于發(fā)送到陣列中一系列連續(xù)發(fā)射器的信號，需要在它們之間設(shè)置一個輕微的時間延遲。在主波束發(fā)射方向之外，波束強(qiáng)度下降。由于信號是周期性的，所以在波束方向圖中也會存在旁瓣，但確實(shí)可以沿著一個特定的方向得到一個非常強(qiáng)的波束。

對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。當(dāng)多個單極子天線構(gòu)成相控陣時，波面會相互干擾，形成一個平坦的相位波面。

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相控陣技術(shù)的優(yōu)勢

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廣泛的立體角。

相控陣技術(shù)有助于增強(qiáng)集體信號或輻射方向圖的特征。來自輻射器的單個信號和來自相控陣天線的集體信號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：聚合信號的功率是單個信號功率的總和，因此，強(qiáng)度會增加。

2. 波束成形：波束的形狀可以由單個信號的相位差來控制，與單個天線相比，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的下變頻和時移。數(shù)字方式指的是對中頻 (IF) 混頻器或本地振蕩器 (LO) 信號進(jìn)行移相。

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

7. 成本：機(jī)械轉(zhuǎn)向的天線可以用價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天線高得多。如果一個陣列天線受損，陣列中的其余天線將繼續(xù)運(yùn)行，但輻射方向圖會有輕微的改變。

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相控陣天線的類型

根據(jù)單個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，有一個單相移位器。即使天線的排列很簡單，但波束轉(zhuǎn)向也只限于一個平面。幾個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

對于平面陣列中的每個天線，都配有一個移相器。各個天線呈矩陣排列，形成了平面排列。波束可以在兩個平面上偏轉(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。