相控阵天线架构的演进

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@小白创作中心

相控阵天线架构的演进

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来源

https://tele.ofweek.com/2025-02/ART-8320507-8500-30657560.html

相控阵天线作为现代通信和雷达系统的核心技术，其架构经历了从机械扫描到全数字波束成形的革命性演进。这一技术的进步不仅推动了军事雷达和通信系统的升级，也为5G/6G通信、自动驾驶和卫星互联网等民用领域带来了突破。本文将为您详细解析相控阵天线架构的演进历程。

早期探索与机械扫描时代（1940s-1950s）

相控阵概念萌芽于二战期间，受限于当时的电子器件水平，早期系统多采用机械扫描与电子扫描结合的混合架构。

关键突破包括：

使用行波管（TWT）或磁控管作为射频源
通过移相器调整波束方向
美国1950年代的AN/FPS-85雷达首次实现全电子扫描，用于弹道导弹预警

然而，早期系统存在成本高昂、维护复杂等问题，仅限于军事高端场景应用。

图1. 相控阵天线无源架构

固态器件与模拟波束成形（1960s-1980s）

随着晶体管和微波集成电路（MIC）的成熟，固态相控阵技术得到快速发展。

架构演进特点：

无源相控阵（PESA）：中央发射机通过移相网络分配信号至天线单元
模拟波束成形：通过模拟电路实现相位控制，支持多波束生成

虽然可靠性提升，但灵活性和带宽仍受限。20世纪80年代，得益于高可靠性固态器件和微波单片集成电路（MMIC）技术的进步，固态发射放大器被分散并放置得更靠近天线单元。如图 2 所示，所有的发射放大器、低噪声接收放大器、移相器和衰减器被集成在一起，形成了收发（T/R）模块。模拟微波组件用于实现模拟波束形成，这种方式具有带宽宽和功耗低的优点。然而，这种波束形成方式的连接和接口非常复杂，对微波参数和规格要求严格。为了同时形成 M个波束，移相器和模拟波束形成器必须重复 M 次。因此，采用模拟波束形成的相控阵天线本质上受到前端波束形成电子设备的限制。随着波束数量的增加，模拟组件的数量和相控阵天线的成本也随之增加。结果，在实际应用中，通过模拟波束形成生成多个独立波束变得非常困难。

图2. 相控阵天线有源模拟架构

数字波束成形与有源相控阵（AESA）崛起（1990s-2000s）

20世纪90年代末，子阵列级数字（或混合模数）波束赋形被广泛研究，它以数字方式执行部分波束赋形并保持较低的总体成本。如图 3 所示，子阵列上的天线元件首先由专用的模拟波束赋形网络组合。使用第二级数字波束赋形网络，子阵列输出被加权并以数字方式求和以产生一组数字波束。

图3. 相控阵天线的子阵列级数字波束赋形架构

技术突破包括：

有源相控阵（AESA）：每个天线单元集成独立的发射/接收（T/R）模块
数字波束成形（DBF）：利用数字信号处理器（DSP）实时调整相位和幅度
应用扩展：军事领域如F-22战斗机的AN/APG-77雷达，民用领域如气象雷达和卫星通信

多功能集成与高频段拓展（2010s-至今）

技术融合特点：

软件定义无线电（SDR）：支持通信、雷达、电子战一体化
毫米波与太赫兹技术：推动高频相控阵发展
大规模MIMO（Massive MIMO）：提升频谱效率
成本降低趋势：封装技术如AiP集成天线与射频前端
商业航天应用：SpaceX星链采用平面相控阵

进入21世纪后，出现了如图 4 所示的全数字波束赋形（DBF）的趋势，信号在元件层面实现数字化。T/R 模块仍然执行通常的放大和滤波操作。然而，相移、信号分布和核心波束赋形被转移到数字域。现在相控阵天线是前端结合射频工程和后端海量数据流和计算能力的综合系统。DBF 是通过天线阵列技术和现代数字信号处理技术的结合来实现的。DBF 最显著的优势是它能够在数字域中生成大量独立波束。增加波束数量就像在程序中添加一些更多的波束赋形处理过程一样简单，从而在保持性能的同时简化相控阵天线的物理设计。

图4. 相控阵天线的元件级数字波束赋形架构