相控阵天线架构的演进

相控阵天线架构的演进

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演变。本文将带你回顾这一技术的发展历程，从早期探索到智能化方向，展现其在军事和民用领域的广泛应用。

早期探索与机械扫描时代（1940s-1950s）

相控阵天线的概念最早萌芽于二战期间，但由于当时的电子器件水平有限，早期系统多采用机械扫描与电子扫描相结合的混合架构。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。虽然美国在1950年代开发的AN/FPS-85雷达首次实现了全电子扫描，用于弹道导弹预警，但这类系统成本高昂、维护复杂，仅限于军事高端场景。

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。无源相控阵（PESA）架构开始普及，中央发射机通过移相网络将信号分配至各个天线单元，如美国AN/SPY-1雷达（宙斯盾系统）。模拟波束成形技术使得多波束生成成为可能，但这种架构在灵活性和带宽方面仍存在局限。

到了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）波束赋形技术开始广泛研究，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）和数字波束成形（DBF）。每个天线单元集成独立的发射/接收（T/R）模块，如氮化镓（GaN）功率放大器，显著提升效率和可靠性。数字波束成形利用数字信号处理器（DSP）实时调整相位和幅度，支持动态多波束和抗干扰能力。军事领域应用包括F-22战斗机的AN/APG-77雷达和预警机雷达，民用领域则应用于气象雷达和卫星通信系统。

多功能集成与高频段拓展（2010s-至今）

进入21世纪后，全数字波束赋形（DBF）趋势显现，信号在元件层面实现数字化。T/R模块执行放大和滤波操作，而相移、信号分布和核心波束赋形转移到数字域。这种架构结合射频工程和海量数据流处理能力，显著提升了性能和灵活性。

技术融合方面，软件定义无线电（SDR）实现天线功能重构，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，采用硅基（CMOS）或化合物半导体（GaAs/GaN）工艺。大规模MIMO（Massive MIMO）技术在5G基站部署中广泛应用，利用空间复用提升频谱效率。

低成本化趋势包括封装技术如AiP（Antenna in Package）集成天线与射频前端，降低量产成本。商业航天应用方面，SpaceX星链（Starlink）卫星采用平面相控阵实现高速星地通信。

智能化与未来方向（2020s-未来）

人工智能赋能相控阵天线，自适应波束优化利用机器学习实时调整波束参数，应对复杂电磁环境。故障自修复技术通过算法检测并补偿失效单元，提升系统鲁棒性。量子相控阵探索结合量子传感技术，理论上可突破经典雷达分辨率极限。

超材料与可重构表面技术方面，智能超表面（RIS）通过可编程电磁表面辅助波束调控，降低相控阵复杂度和能耗。光子集成技术如光控相控阵（OPA）利用光子芯片实现超宽带波束扫描，应用于激光雷达（LiDAR）和光通信。

图5. 智能超表面技术

总结

相控阵天线从笨重的机械扫描系统，逐步演变为高度集成、智能化的多任务平台，其发展体现了电子技术从模拟到数字、从分立到集成、从单一功能到软件定义的跨越。未来，随着新材料和AI技术的深度融入，相控阵将进一步向高频化、低成本化、智能化方向突破，成为空天信息网络和智能感知的核心载体。