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相控陣列天線是一組排列成陣列的單元天線，其像單個天線一樣協同工作，通過電子方式控制發射無線電波，無需物理移動天線即可使其指向一個或多個方向。

在波束成形的過程中，相控陣列系統以相同頻率從每個天線單元發送信號，但每個單元的相位和大小各不相同。這樣做，就會在電磁波疊加時產生相長干涉和相消干涉，從而形成一種代表定向高增益波束的輻射方向圖。

大多數相控陣列天線是平面的，由成百上千個天線單元組成，這些單元可能排列成一條線、一個平面，或者是三維立體結構。工程師會利用仿真驅動的高頻電磁物理學來設計陣列元件、整體陣列配置，以及驅動天線的射頻（RF）硬件和電子電路。

相控陣列天線的基礎知識

相控陣列天線系統十分復雜且功能強大，包含電力電子設備、RF組件和天線設計。為了解設計團隊如何配置相控陣列天線系統，以及哪些應用最適合該技術，工程師應熟悉以下基礎知識。

無線電波振幅、相位、頻率和波長

無線電波是一種高頻電磁輻射，其波形是正弦波，在大約3 KHz至3,000 GHz的帶寬范圍內振蕩。此圖顯示了無線電波的基本特征：

波長是波在一個周期內傳播的距離。幅度是波的最大值，而相位是每個波的峰值之間的差值，或者說是它們的時間延遲。相控陣列天線的頻率通常是恒定的，只有微小的變化，但每個天線的相位和振幅都可以發生變化。

天線單元

天線單元是陣列中的單個天線。雖然有許多不同類型的天線單元可以用于組合形成陣列，但最常用的天線單元是貼片天線、微帶貼片天線、波導喇叭或單極子天線。天線的工作頻率決定了單元的尺寸和間距。

天線增益

天線增益是在給定方向上信號強度（振幅）與理論上理想各向同性輻射源相比的比值（理想各向同性輻射源，會把信號均勻地向所有方向發射）。

相控陣列天線波束形成器組件

波束形成器由電子和RF電路組成，用于將輸入信號轉換為可控的傳輸信號。無源相控陣列系統是最常見的相控陣列天線類型，其使用一系列組件，如發射器功率放大器、波束形成器和各個天線單元，將單個輸入信號轉換為指向所需方向的信號。波束形成器通常由衰減器、移相器或提供類似功能的組件組成。

• 收發器功率放大器（PA）：輸入信號被放大，以產生所需的放大信號，然后由接收器進行測量。
• 功率分配器：功率分配器將輸入信號分成多個信號，以提供給每個天線單元電路。
• 衰減器：衰減器可根據需要增加或減少每個天線單元的振幅，這些衰減器可以是數字或模擬的器件，也可以是無源的或有源的。
• 移相器：這些數字或模擬器件會給波形引入較小的延遲，這是控制波束的關鍵步驟。
• 天線單元：最后，信號到達天線單元，并以所需的相位和振幅傳輸。
• 低噪聲放大器（LNA）：天線在被用作接收天線時，會含有低噪聲放大器。
• 發送/接收開關：如果天線用于接收信號，開關將通過LNA而不是功率放大器來發送輸入信號。

控制相控陣列的計算機，會以電子方式快速修改每個天線單元的振幅和相位，以便快速改變波束方向。

波束方向

波束方向是在合并每個天線單元的信號后，從天線原點指向最大信號幅度的點的方向。天線設計將使用兩個角度來指定矢量：方位角是在與地平線平行的平面上的角度，俯仰角是指在地平面上抬起的角度。

波束寬度

信號振幅與波束掃描角的關系圖上，會顯示相控陣產生的駝峰形狀，被稱為波瓣的主波束和其他波束。波束寬度是指最強波瓣的寬度，以度（°）為單位。

有兩種方法可用于測量波束寬度。第一種方法是測量從一個零點（波束幅度降為零的位置）到另一個零點的距離，被稱為第一零點波束寬度（FNBW）。第二種方法是測量從峰值降低一半功率情況下的寬度，被稱為半功率波束寬度（HPBW）。

波束控制和掃描

以電子方式設置波束方向被稱為波束控制。當波束方向在輻射方向圖上移動時，這被稱為波束掃描。更復雜的相控陣列天線，能夠以略微不同的頻率在不同方向控制多個波束。

旁瓣

旁瓣是輻射方向圖中除主波束之外的任意局部最大值。它們會消耗能量，并且造成干擾。陣列設計旨在最大限度地減小旁瓣的幅度。

相控陣列天線的類型

相控陣列天線有多種形式。業界專家會根據所用的拓撲和波束成形技術，對不同類型的相控陣列天線進行分類。

相控陣列拓撲

一種區分相控陣列系統類型的方法是，根據天線單元的相對位置對其進行分類。大多數系統都屬于下列其中一種拓撲類型：

• 線（1D）陣列：天線單元沿水平線排列，以更改波束的方位角；或沿垂直線排列，以控制俯仰角。
• 平面（2D）陣列：天線單元排列在平面（平面結構）上，可以控制俯仰角和方位角，以覆蓋天線上方的整個空間。
• 3D陣列：天線單元呈立體排列，能夠在任何方向上控制一個或多個波束。

波束成形器的類型

無源電子掃描陣列（PESA）：無源相控陣列，是整個陣列只有一個收發器的天線。這是最常見的相控陣列配置類型。

有源電子掃描陣列（AESA）：在有源相控陣列天線中，每個天線單元或單元子集都有一個模擬收發器模塊，用于在每個單元中產生相移。這種更先進的方法通常用于軍事應用。

數字波束成形（DBF）相控陣列：DBF陣列天線使用數字收發器模塊來改變每個天線單元中的相位和振幅。它還可以產生多個波束，并使用FPGA芯片或陣列計算機，以數字方式形成天線輻射模式。此外，數字波束成形陣列還可以在輻射方向上形成零點（null），用于故意最大限度地降低接收靈敏度，減少已知方向上的相互干擾。

混合波束成形相控陣列：AESA和DBF方法可以結合使用，以形成混合波束成形相控陣列。這種方法包括子陣列。每個子陣列都使用一個模擬收發器，而且子陣列中的每個單元都有自己的數字收發器。這種方法，可以創建同步波束集群。

相控陣列天線的優勢和應用

設計通信系統和傳感器的工程師，使用相控陣列天線來創建具有空間選擇性的無線射頻信號源。天線陣列使系統能夠實現以下一種或多種功能：

1. 組合多個天線單元，以創建大的孔徑和更強的信號
2. 使用波束成形創建電子可控天線
3. 使用自適應、混合或數字波束成形創建同時指向多個方向的波束，并最大限度地減少與其他RF系統之間的干擾

與傳統的機械控制反射面天線和桅桿天線相比，這些功能具有一些顯著優勢：

• 電子控制波束可以更快地掃描，或非常快速地切換波束方向。
• 與由大型拋物面組成，機械轉向的反射面天線相比，相控陣列天線通常占用的空間更小，重量更輕，并且可以安裝在車輛或建筑物的表面。
• 在大多數情況下，相控陣列系統還可利用更低的成本實現相同的性能水平，尤其是當集成電路（IC）用于波束成形或天線單元時。
• 可靠性：信道中的單個組件可能會發生故障，而不會影響整個天線系統的基本性能。事實上，與機械天線系統的單點故障問題相比，相控陣列系統的組件故障只會導致性能適度下降。
• 使用單個設備將信號指向多個方向。
• 由于每個天線單元的功率會相加在一起，因此它們的功率效率更高。

在這些優勢的推動下，早期射頻先驅者研發了相控陣雷達和射電天文陣列，這些陣列甚至能夠放大由遙遠恒星發出的非常微弱的信號。隨著時間的推移，相控陣列應用的數量不斷增加，包括用于其他航空航天系統以及醫療、汽車、工業和通信系統的天線。多向陣列天線系統可實現：

• 現代4G和5G電信網絡
• 未來的6G電信網絡
• 最新的WiFi接入點
• 自動駕駛汽車雷達系統
• 治療性醫療器械

仿真如何實現相控陣列天線設計

如果沒有仿真，即使是設計小型相控陣天線陣列也會十分困難。因此，對于擁有數千個天線單元的系統來說，仿真更是至關重要。從陣列間距到旁瓣損耗，如果一切依靠手動計算，將會舉步維艱；在暗室中測量輻射方向圖，也成本高昂且非常耗時。

動畫出處： https://mp.weixin.qq.com/s/gz2qOHBUeXyT3ajdb9NYJg

通過仿真，工程師不僅可以設計陣列和波束成形組件，還可以優化系統的效率、成本和速度。團隊還能夠使用仿真來了解制造公差和材料變化對設計的影響。

工程師使用仿真工具來設計、驗證和優化天線陣列、天線單元和波束成形組件。他們還可以對天線與整個系統的交互方式進行仿真。

全面、易用且準確的高頻電磁學有限元工具，如Ansys HFSS高頻電磁仿真軟件，適用于相控陣列天線的幾乎所有電磁相關環節。憑借強大的網格劃分、并行求解器和專為陣列創建的工作流程，該軟件堪稱組件和系統級建模的黃金標準。HFSS軟件可對從單個波導到整個裝配體的信號傳播等所有方面進行仿真，并在硬件可用之前就對天線進行建模。

Ansys Perceive EM射頻信道和雷達特征仿真軟件等應用中采用的彈跳射線法，使用戶能夠對其天線在遠距離和障礙物周圍（如倉庫中的貨架或城市中的建筑物等）的性能進行建模，從而將仿真提升到一個新的水平。在設計天線系統時，負責評估其本地安裝影響的團隊，會使用HFSS軟件中的彈跳射線法（SBR）功能來分析天線與發射塔、建筑物或車輛的自耦合效應。工程師還可以利用系統級工具，如Ansys RF信道建模器高保真度無線信道建模軟件，借助仿真來對其天線設計在網絡中的工作方式進行建模。

設計團隊在理解并優化電磁特性后，需要了解相控陣列系統的熱和結構響應。他們可以使用諸如Ansys Mechanical結構有限元分析（FEA）軟件或Ansys Icepak電子冷卻仿真軟件等工具，這些工具可與高頻電磁求解器連接。如果天線安裝在車輛或飛機上，他們可能需要使用CFD工具，如Ansys Fluent流體仿真軟件，來了解和設計高速空氣動力載荷。