如何使用相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡化天線的設(shè)計(jì)

　　為提高性能，無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)對天線架構(gòu)的需求不斷增長。只有那些功耗低于傳統(tǒng)機(jī)械操縱碟形天線的天線才能實(shí)現(xiàn)許多新的應(yīng)用。除了這些要求以外，還需要針對新的威脅或新的用戶快速重新定位，傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，并以超低的成本，延長工作壽命。有些應(yīng)用需要抵消輸入阻塞信號(hào)的作用，降低攔截概率。正在席卷整個(gè)行業(yè)的相控天線設(shè)計(jì)為這些挑戰(zhàn)提供了解決辦法。人們開始采用先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)解決相控陣天線過去存在的缺點(diǎn)，以最終減小這些解決方案的尺寸、重量和功率。本文將簡要介紹現(xiàn)有的天線解決方案以及電控天線的優(yōu)勢所在。在此基礎(chǔ)上，本文將介紹半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展如何幫助實(shí)現(xiàn)改進(jìn)電控天線SWaP-C這一目標(biāo)，然后舉例說明ADI技術(shù)如何做到這一點(diǎn)。

　　依靠天線發(fā)送和接收信號(hào)的無線電子系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行了100多年。隨著精度、效率和更高級(jí)指標(biāo)變得越來越重要，這些電子系統(tǒng)將繼續(xù)改進(jìn)和完善。在過去幾年中，碟形天線已被廣泛用于發(fā)射（Tx）和接收（Rx）信號(hào)，其中方向性至關(guān)重要，并且經(jīng)過多年的優(yōu)化，許多這些系統(tǒng)都能以相對低的成本良好地運(yùn)行。這些碟形天線擁有一個(gè)用于旋轉(zhuǎn)輻射方向的機(jī)械臂，它們的確存在一些缺點(diǎn)，包括轉(zhuǎn)向慢、物理尺寸大、長期可靠性差并且只有一個(gè)符合要求的輻射圖或數(shù)據(jù)流。因此，工程師們已轉(zhuǎn)向先進(jìn)的相控陣天線技術(shù)來改進(jìn)這些特性、添加新功能。相控陣天線采用電動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)制，相比傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向天線具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如高度低/體積小、更好的長期可靠性、快速轉(zhuǎn)向、多波束等。憑借這些優(yōu)勢，相控陣已經(jīng)被軍事應(yīng)用、衛(wèi)星通信和包括車聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的5G電信等應(yīng)用中得到廣泛運(yùn)用。

　　相控陣天線是組裝在一起的天線元件的集合，其中，每個(gè)元件的輻射圖均在結(jié)構(gòu)上與相鄰天線的輻射圖組合形成稱為主瓣的有效輻射圖。主瓣在期望位置發(fā)射輻射能量，而根據(jù)設(shè)計(jì)，天線負(fù)責(zé)破壞性地干擾無用方向上的信號(hào)，形成無效信號(hào)和旁瓣。天線陣列設(shè)計(jì)用于最大化主瓣輻射的能量，同時(shí)將旁瓣輻射的能量降低到可接受的水平。可以通過改變饋入每個(gè)天線元件的信號(hào)的相位來操縱輻射方向。圖1展示了如何通過調(diào)整每個(gè)天線中信號(hào)的相位，將有效波束控制在線性陣列的目標(biāo)方向上。結(jié)果，陣列中的每個(gè)天線都具有獨(dú)立的相位和幅度設(shè)置，以形成期望的輻射圖。由于沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，所以很容易理解相控陣中波束快速轉(zhuǎn)向的屬性?；?a target='_blank' class='arckwlink_none'>IC的半導(dǎo)體相位調(diào)整可以在幾納秒內(nèi)完成，這樣我們就可以改變輻射圖的方向，針對新的威脅或用戶快速做出響應(yīng)。類似地，我們可以從輻射波束變?yōu)橛行Я泓c(diǎn)以吸收干擾物的信號(hào)，使該物體看起來不可見，隱形飛機(jī)即是如此。重新定位輻射圖或改變?yōu)橛行Я泓c(diǎn)，這些變化幾乎可以立即完成，因?yàn)槲覀兛梢允褂没贗C的器件而非機(jī)械部件，以電氣方式改變相位設(shè)置。相控陣天線相比機(jī)械天線的另一個(gè)優(yōu)勢是它能同時(shí)輻射多個(gè)波束，因而可以跟蹤多個(gè)目標(biāo)或管理多個(gè)數(shù)據(jù)流的用戶數(shù)據(jù)。這是通過在基帶頻率下對多個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理來實(shí)現(xiàn)的。