本文要點
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相控陣列天線 (Phased array antenna) 是一種具有電子轉向功能的天線陣列，不需要天線進行任何物理移動，即可改變輻射訊號的方向和形狀。這種電子轉向要歸功於陣列中每個天線的輻射訊號之間的相位差。 |
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相控陣列天線的基本原理是兩個或多個輻射訊號出現依賴相位的疊加。當訊號同相時，它們會結合在一起，形成一個幅度相加的訊號。當訊號反相時，它們會相互抵消。 |
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共有三種類型的相控陣列天線：1) 線性陣列，2) 平面陣列，和 3) 頻率掃描陣列。 |
相控陣列天線在 5G 通信技術中的應用日益普及
您是否觀察過螞蟻搬運方糖的過程？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，一支軍隊朝著同一方向合作，可以在更短的時間內達成同一目標。
在無線傳輸中，天線陣列的功能也基於同樣的理念：人多力量大。相控陣列天線就是根據這一原理運行的，與單個天線相比，它們的訊號強度、增益、指向性和性能會更好一些。
相控陣列天線是如何工作的？
相控陣列天線包括多個發射器，用於高頻射頻應用中的波束成形。相控陣列天線有三個常見的應用領域：WiFi、線性調頻雷達和 5G。相控陣列天線中的發射器數量可以從幾個到幾千個不等。使用相控陣列天線的目的是利用兩個或多個輻射訊號之間的建設性干擾來控制發射波束的方向。這在天線界稱為「波束成形 (beamforming)」。
相控陣列天線透過調整發送到陣列中每個發射器的驅動訊號的相位差來實現波束成形。因此，不需要天線進行任何物理移動，就可以控制輻射方向，使其指向一個目標。這意味著沿某一特定方向的波束成形是全向發射器之間的干擾效應，例如 WiFi 中使用的偶極子天線。
這種相控陣列天線包含多個發射器，產生一個高度定向的輻射方向。
當相控陣中每個發射器發射的訊號完全同相時，它們會發生建設性干擾，產生強烈的輻射，但這只發生在特定的方向上。這個方向是透過設置發送到不同發射器的訊號之間的相移來控制的。要控制相移，對於發送到陣列中一系列連續發射器的訊號，需要在它們之間設置一個輕微的時間延遲。在主波束發射方向之外，波束強度下降。由於訊號是週期性的，所以在波束方向圖中也會存在旁瓣，但確實可以沿著一個特定的方向得到一個非常強的波束。
對比單極子天線和由單極子天線組成的相控陣列天線。單極子天線在垂直於天線軸線的平面內向所有方向發射訊號。當多個單極子天線構成相控陣時，波面會相互干擾，形成一個平坦的相位波面。
相控陣列技術的優勢
相控陣列天線的波束成形在高頻率 (大約等於或高於 WiFi 頻率) 下是必要的，用於克服傳輸過程中的損失。有了大小合適的相控陣列天線，高增益發射器的輻射可以指向一個廣泛的立體角。
相控陣列技術有助於增強集體訊號或輻射方向圖的特徵。來自輻射器的單個訊號和來自相控陣列天線的集體訊號的特徵就像彼此分離的兩極。形成陣列後，各種參數和數量都有所提升，具體可以總結為以下幾點：
1. |
功率： |
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聚合訊號的功率是單個訊號功率的總和，因此，強度會增加。 |
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2. |
波束成形： |
波束的形狀可以由單個訊號的相位差來控制，與單個天線相比，相控陣列天線的輻射方向圖更窄。 |
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3. |
波束轉向： |
無需機械轉向，因此波束轉向或波束定位十分靈活。波束轉向是透過電子可變移相器實現的。 |
4. |
多波束： |
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在移相器的幫助下，相控陣列天線可以合成數百個波束。 |
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5. |
可選數位 / 混頻器方案： |
移相可以透過類比或數位方式實現。類比移相器依靠的是訊號的下變頻和時移。數位方式指的是對中頻 (IF) 混頻器或本地振盪器 (LO) 訊號進行移相。 |
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6. |
重量： |
相控陣列天線的重量比機械轉向的單個天線要輕。 |
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7. |
成本： |
機械轉向的天線可以用價格較低的相控陣列天線取代，但解析度保持不變。 |
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8. |
可靠性： |
相控陣列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，陣列中的其餘天線將繼續運行，但輻射方向圖會有輕微的改變。 |
相控陣列天線的類型
根據單個天線的排列方式和移相器的數量，相控陣列天線可分為三種類型。具體如下：
1. |
線性陣列： |
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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，但波束轉向也只限於一個平面。幾個線性陣列垂直排列可以形成平面天線。 |
線性陣列天線
2. |
平面陣列： |
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對於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。平面陣列天線的缺點是需要大量的移相器。 |
平面陣列天線：a)側視圖 b)俯視圖
3. |
頻率掃描陣列： |
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如果波束轉向控制是發射器頻率的一個函數，那麼利用這種技術的相控陣列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，波束轉向由發射器的頻率控制。 |
a) 頻率掃描陣列天線結構 b) 波束的傳播方向
未來的 5G 通信需要運用各種關鍵技術，如多點接入、多波束、高增益和超密集網路。天線設計師準備利用相控陣列天線來滿足未來無線通訊系統的要求。
值得一提的是，提供電子轉向的相控陣技術是射頻無線通訊系統中的一項資產。有了相控陣列天線，就可以在不損失解析度的情況下以電子方式增強發射或接收波束的方向、強度和形狀。
譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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