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相控阵技术 电子科技大学 物理电子学院 喻志远 2013 10 概论 通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状，例如获得余割平方形方向图和对方向图进行自适应控制等。 用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢，相控阵天线克服了这一缺点，波束的扫描速度高。它的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度快（毫秒量级），即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大特点。 天线单元 一般相控阵天线应对每一辐射单元的相位进行控制。为了节省移相器和简化控制线路，有时几个辐射单元共用一个移相器。共用一个移相器的单元组合称为子阵。 为了降低成本和简化结构，可以把天线设计成在一维范围内（例如在水平面内）用机械方法旋转，而在另一维范围内（例如在垂直平面内）用相控方式来控制波束的扫描。这种混合式扫描天线已得到广泛应用。 3馈电方式 相控阵天线的馈电方式分传输线馈电和空间馈电两种。 在传输线馈电方式下，射频能量通过波导、同轴线和微带线（见微带线和类微带线）等微波传输线馈给辐射单元。移相器置于微波传输线路内。 在空间馈电方式下，发射机产生的射频能量通过辐射装置辐射至自由空间，传输一段距离后由一个接收阵接收，接收阵的每个单元或一组单元所接收到的信号，经过移相器移相后再馈给发射阵的发射单元并辐射出去。在这种情况下，移相器位于发射阵和接收阵之间。空间馈电的馈电线路简单，但需要增加一个接收阵。传输线馈电的馈电线路复杂。 设计 相控阵天线阵列本身的设计主要是幅度、相位分布设计和单元阻抗设计。阵列尺寸由波束宽度最窄时的宽度值和副瓣电平决定。相位分布主要根据波束要求而定。由于单元方向图和阻抗的限制，通常平面相控阵最大扫描范围为±60°的圆锥，加上一个球罩透镜后也可得到半球扫描。 若仅要求方向图最大值在空间移动（扫描），只需要形成线性变化的相位分布。这时方向图的最大值方向垂直于等相位面。使用数字式移相器时，除了几个特殊角度以外，一般得不到精确的线性相位分布。这时在方向图的某些方向上会出现寄生副瓣，其大小与具体的相位分布规律有关。为了满足特殊要求，则需要采用方向图综合法，事先算出所需的阵面相位分布。例如，可以将阵面分成若干个区域，把每一区域都看成独立的阵面来设计这个阵的方向图，这样就能在空间得到多个同时存在的波束，也可以利用特殊的相位分布使方向图变宽或形成余割平方形方向图。 为了简化馈电结构，有些相控阵天线是等幅度的。为了克服等幅分布时副瓣电平高的缺点，可采用密度加权，即有源辐射单元在阵面上的分布是不均匀的，其分布密度按一定的规律变化。在有源辐射单元的边上放置不馈电的无源辐射单元，以改善辐射单元的阻抗特性。 相控阵天线辐射单元的数量多,当失效单元数在5%以下时对天线阵性能的影响不大，因而可靠性较高。 雷达中使用相控阵天线后，波束控制灵活性显著提高，故可制成多功能雷达，使一部雷达起几部常规雷达的作用。随着微波集成电路技术的发展和新型移相器的出现，相控阵天线的成本正不断下降,体积越来越小,重量也在进一步减轻。 关键器件 相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元。移相器分连续式移相器和数字式移相器两种。连续式移相器的移相值可在0°～360°范围内连续变化，数字式移相器的移相值是离散的，只能是360×(1/2)^n的整数倍，式中n是数字式移相器的位数。例如3位数字式移相器的移相值只能是 45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。移相器应保证在一定的频率范围内获得所需要的移相值，同时还需要满足一定的耐功率和温度稳定性等要求，以保证相控阵天线能在不同频率上和在变化的环境条件下正常工作。 天线辐射单元的设计应使一定移相范围内（或波束扫描范围内）和一定频率范围内的输入阻抗的变化尽可能小，以保证发射机正常工作，防止由于射频信号的多次反射而出现寄生副瓣和方向图中出现凹点（盲点）的现象。为此，可采用互耦小的单元或采取专门的去耦措施。 Examples of Phased Array 车载相控阵雷达 机载相控阵天线 陆基相控阵天线 相控阵天线近视 车载相控天线 相控阵雷达回波雷达 多功能相控阵雷达 相控阵雷达的气象应用 电路结构 X-band MMIC in Phased Array Radar 传统定位雷达 舰载相控阵雷达 相控阵近视 多目标及定位 相控阵天线的多波束