现代雷达和通信系统依靠相控阵来提供波束成形和波束控制等基本功能。波束成形为无线通信链路提供了许多优势，包括：
• 减少干扰。
• 增加范围。
• 扩大服务数量。
• 提高安全性
几十年来，雷达一直是相控阵天线 (PAA) 拓扑的主要应用领域。然而，像每芯片多个发射/接收 (T/R) 模块和 GaN 功率放大器 (PA) 这样的组件技术趋势继续降低相控阵天线的尺寸和成本，如图 1 所示。不断扩大的市场应用潜力为汽车、医疗保健、5G 和 SATCOM 行业的商业通信和雷达系统铺平了道路。
在 5G应用中，海量机器类型通信 (mMTC) 的成功实现和国际移动通信-2020 (IMT 2020 标准) 中规定的极端数据吞吐量都依赖于相控阵技术。同样，敏捷扫描相控阵为新空间领域和卫星通信中越来越常见的低地球轨道 (LEO) 卫星提供了快速跟踪和持续连接。
什么是相控阵 Phased Array? 怎么理解相控阵中“阵”和“相控”的概念呢？
相控阵（Phased Array Radar,PAR），顾名思义，即相位被控制的阵列。由相控阵组成的雷达被称为相控阵雷达。阵就是有很多个单阵子组成。单阵子就是我们理解的单个天线。每个天线都有自己的方向图，方向图是描述天线在不同方向辐射能力的数学描述。
例如，常说的全向天线，其在每个方向的辐射能力都是一致，画出三维立体图就是一个光滑的球，如下图所示：
人们感兴趣的方向一般是某个特定的区域，因此相控阵中一般使用定向天线。
定向天线是方向图在某些方向拥有很高的辐射能量，另外的方向几乎不辐射能量，如下图所示，该天线在正前方辐射能量，正后方几乎不辐射能量。
有了单阵子方向图的概念，现在可以尝试把两个阵子放在一起，整体查看它们的合成方向图。把两个阵子之间的间距分别设置成0.5、1、2和3（波长），画出它们的合成方向图如下图所示：
左0.5λ，右1λ
左2λ，右3λ
两个阵子就可以称为天线阵（虽然阵子数目少），不同间距合成的方向图并不相同。人们使用天线阵，当然希望其辐射能量集中到感兴趣的方向，而不是分散发射。从能量守恒的角度来看，辐射能量分散，会降低感兴趣区域得到的能量。因此相控阵的阵子间距一般在0.5λ左右，防止出现能量不集中。
把阵子间距设置为0.5λ，分别考察合成1、3、5和7个阵子的合成方向图如下图所示：
左1阵子，右3阵子
左5阵子，右7阵子
从上图可以看出，阵子间距设置为0.5λ，随着阵子个数的增加，其覆盖范围越来越小，从能量守恒的角度来看，其能量是越来约集中，这就是相控阵阵子个数越多，指向性越好的越好的原因。当前的5G基站使用的阵子在几百个，所以5G通信的效果要好很多。
那么怎么理解“相控”呢？
我们选择阵子间距为0.5λ，阵子个数为7个，进行合成方向图，如下图所示：
上面的两幅图都是7个阵子的合成方向图。
因此，相控的意思就是控制7个阵子之间的相位，可以让合成的方向图出现指向的变化。
相控阵天线是什么？
相控阵天线是一种天线阵列，其各个元件可以设置为特定（不同）的幅度和相位关系。您会经常听到它们被称为电子扫描阵列。相控阵天线底部的图像显示了单个天线、常规阵列和相控阵。相控阵具有移相器，使我们能够调整每个单独元件的相位。
阵列俯视图
阵列立体图
相控阵天线的功能用于增加增益和方向性，创建相对较窄的波束（称为波束成形），并允许电子转向（称为波束转向）。电子转向显然比机械转向快得多，这使得相控阵非常适合高性能雷达/电子战系统等应用。
对于创建窄波束（波束赋形）并将其动态指向目标方向（波束控制）来说，相控阵天线是一种实用和低成本的方式。这样无需机械运动即可实现波束控制，这应当就是基站和用户设备所使用的毫米波天线的工作原理。
相控阵天线是由一组较小的天线单元组成， 比如单个贴片或偶极。通过改变施加到各个单元的信号的相对相位和幅度，天线阵列可以在选定方向上形成和控制一个波束。
相控阵天线是一种天线阵列，其各个元件可以设置为特定（不同）的幅度和相位关系
通常称为电子扫描阵列 (ESA)
用于增加增益/方向性、创建窄波束（波束成形）并允许电子转向（波束转向） - 必须比机械转向更快
相控阵原理
下图显示了相控阵原理。发射机（Tx） 中的信号分配给多个天线单元。控制移相器调节每个单元所发射的信号的分相，进而支持以可变角度𝜃形成波束。
典型的相控阵技术指标
• 增益
• 水平和垂直波束宽度
• 旁瓣电平
• 有用的转向范围（水平和垂直）
• 偏振测量
相控阵设计参数
1. 元件数量
2. 元件类型
3. 阵列几何
4. 元件之间的间距
5. 操作频率
推荐阅读：系统级设计为相控阵开发提供的四大优势
"相控阵天线的开发正在步入新时代；现如今，速度和敏捷性已经是致胜的关键。了解采用电子系统级设计方法为相控阵设计人员带来的四大优势。"
相干光调制方法
相控阵雷达天线的核心是什么单元?
相控阵天线是目前卫星移动通信系统中最重要的天线形式，它由三部分组成: 天线阵列，馈电网络和波束控制器。
相控阵天线基本原理是引起的时间差，因此天线阵列的输出此时最大相位上被叠加。一旦信号方向改变，只要调节移相器的相移，就可以相应改变天线阵列波束的最大指向，从而实现波束扫描和跟踪。相控阵天线具有相控扫描线天线阵和平面相控阵天线。
相控阵扫描
相控阵雷达天线的核心是收发单位。相控阵天线可以通过对相位和幅度的调整来实现对波束形状的改变，波束扫描，以及波束间功率的分配，通过使用自适应调零的抗干扰技术，可以大大提高通信卫星的空间生存能力。
图 13 说明了两种主要的相控阵类型：
• 无源电子扫描相控阵 (PESA)。
• 有源电子扫描相控阵 (AESA)。
传统的 PESA无源相控阵实现使用单独的衰减器、移相器和其他组件。这种集中式架构将所有元件和基带源连接到一对发射器和接收器路径。
现代相控阵更倾向于采用 AESA有源相控阵拓扑的分布式架构。
AESA有源相控阵将各个天线元件和相关的发射功率放大器 (PA)、接收低噪声放大器 (LNA)、移位器、衰减器和开关集成到单个 T/R模块封装中。该系统将基带源直接连接到波束形成器。为每个元件配备一个发射机放大器，使有源相控阵天线能够在空间上组合发射机输出功率。
此过程允许对发射机输出功率进行空间组合，与单个 T/R模块相比，总功率显著增加。此外，这种模块化方法可以将电子设备靠近各个元件放置，从而显著减少信号损失。然而，AESA有源相控阵性能优势伴随着更大的开发复杂性和成本。
基本发射器/接收器架构
这是基本发射器/接收器的架构。
我们在顶部有一个发射路径，在底部有一个接收路径，它们都连接一个双工器，用于在两者之间切换。
在接收路径中，我们有一个波形发生器，它产生一个低频信号。然后，低频信号被放大和滤波，最终上变频到我们想要传输的信号的射频或微波频率。信号上变频后，再次滤波，然后用高功率放大器放大。高功率放大器将信号提高到传输所需的功率水平。
在接收路径中，我们接收微波信号的射频，对其进行滤波，并用低噪声放大器对其进行放大，以避免引入额外的噪声并降低信噪比。放大信号后，我们将其向下转换为更低的频率，然后放大和滤波。将其向下转换为更低的频率，以将其馈送到 ADC。ADC 将信号数字化，以便 DSP 链可以对其进行处理。
该框图仅显示了一个转换阶段，但通常有多个转换阶段才能将信号转换为所需的频率。
无源阵波束敏捷性较机械扫描雷达提升了几个数量级，但仍依靠集中式发射机输出信号，只能形成单一波束，多模式/多功能必须通过不同模式/功能分时共享天线阵列实现。
无源阵系统内部损耗较大，与有源阵相比灵敏度较差。高电压大功率的集中式发射机属于单点失效器件，其故障将导致整台雷达离线。而高电压大功率恰恰意味着集中式发射机较易发生故障。
有源相控阵雷达是什么意思？
基本TR模块架构
TR模块将部分发射/接收路径移至前端。将发射/接收功能分布到阵列上的每个模块使它们更加灵活，并有助于防止丢失。
这是基本 TR模块的架构。如您所见，每个 TR模块都有自己的移相器和衰减器。此外，在发射路径上，它们将有一个高功率放大器，在接收路径上，它们将有一个限幅器和低噪声放大器。您通常还会使用某种开关或循环器将天线连接到发射和接收路径。
由大量辐射单元组成的有源阵不仅波束敏捷性极强，还能同时生成多个不同频率，不同指向，功能/模式相互独立的波束。有源相控阵的射频隐形性能与抗干扰（ECCM）能力都远在无源阵之上。
与集中式发射机单打独斗的无源阵相比，包容海量辐射单元的有源阵更易实现较大的发射功率。AESA有源相控阵正在迅速转向全数字 TR 模块架构
有源相控阵和无源相控阵的区别主要是：
结构不同：有源相控阵雷达的天线采用的是一种称为T/R模组的接受与发射装置，每一块T/R模组都能产生电磁波而无源相控阵雷达 则是使用统一的发射机和接受器，外加具有相位控制能力的相控阵天线组成，天线本身不能产生雷达波。
性能不同：有源相控阵雷达的收发装置只有T/R模组，所以重量较轻，故障率较低，即使几个T/R模组损坏了，也不会影响到整台机器的使用，而无源相控阵雷达就不具有这种优势。
造价不同：有源相控阵雷达的发射与接收组件在制造上有很多难点，因此有源相控阵雷达的造价昂贵。而无源相控阵雷达的技术难度要小得多，造价也相对便宜。
应用不同：当今国内外研制的舰载雷达、机载雷达、弹道导弹防御雷达以及星载雷达均采用有源相控阵雷达天线，无源相控阵雷达作为有源相控阵雷达普及以前的过渡产品。
T/R模块对于相控阵的 RF性能至关重要
LNA 和 PA功率放大器充当接收路径的初始阶段和发射路径的最终阶段。因此，工程师使用来自 LNA 的噪声系数和增益测量的数据来优化接收灵敏度。同样，工程师根据 PA功率放大器失真行为优化传输的线性度和效率。在接收操作期间，LNA 确定系统链路预算、噪声系数和 T/R模块的最小可检测信号。
公式 1 显示了噪声因数的 Friis公式——第一放大级 F1 的噪声系数设定了整个接收器的最小噪声系数。
失真效应会对发射机路径的性能产生负面影响，尤其是功率放大器产生的非线性失真效应。功率放大器位于天线之前的射频链的最后一级。PA 的失真会严重影响发射信号的质量。带内失真贡献尤其令人担忧，因为滤波被证明是无效的。功率放大器也是能耗最大的贡献者。
偏置决定了放大器的行为是更线性但效率更低，还是效率更高但失真较大。为了从 T/R 模块获得最佳性能，工程师必须优化 PA功率放大器效率，同时确保线性度符合严格的监管标准。线性度和效率之间的这种权衡至关重要。
通信系统行业将误差矢量幅度 (EVM) 视为带内失真的基准品质因数。调制标准（例如 802.11ac 和 5G 新无线电 (NR)）设定了可接受的最低 EVM 水平。随着标准严格性的提高，准确捕获和优化 PA功率放大器调制失真和 EVM 的需求也在增加。
除了放大器之外，T/R 模块内的无源元件也对相控阵的整体性能做出了重大贡献。例如，T/R 模块的发射和接收路径中的移相器和衰减器控制天线波束转向并确定相控阵的角度精度。T/R 模块需要进行大量测试才能在整个相控阵中进行匹配，但表征它们需要进行许多不同的测量。由于有源阵列天线包含数千个 T/R 模块，因此工程师需要快速测试所有发射和接收参数，并且只需连接到模块即可制造具有成本效益的相控阵天线。
波束形成 - 波束由具有不同幅度和相位的无线电波之间的相长/相消干涉形成有多种方法可以实现相移，但最简单的方法是将信号延迟到时域中的元素。
什么是干涉？
在物理学中，干涉（interference）是两列或两列以上的波在空间中相遇时发生叠加或抵消从而形成新的波形的现象。
如采用分束器将一束单色光束分成两束后，再让它们在空间中的某个区域内重叠，将会发现在重叠区域内的光强并不是均匀分布的：其明暗程度随其在空间中位置的不同而变化，最亮的地方超过了原先两束光的光强之和，而最暗的地方光强有可能为零，这种光强的重新分布被称作“干涉条纹”。两束电磁波的干涉是彼此振动的电场强度矢量叠加的结果，而由于光的波粒二象性，光的干涉也是光子自身的几率幅叠加的结果。
干涉在其物理模型中，最关键的就是叠加或抵消作用！因此我们需要明白，正是这种作用使得我们的干涉能够产生不同指向的可能，而这个可能就是调整发射信号的相位，让各个信号在产生叠加或者抵消作用的时候能够按照我们需要的指向进行扫描。
相控阵叠加与相消模型
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波束控制 - 通过调整移相器，可以非常快速地将波束指向不同的方向
波束形成是通过调整各个元件的幅度和相位来实现的，这样它们发射的无线电波就会以所需的方式进行建设性和破坏性干扰。由于可以对各个元件的幅度和相位进行如此精细的控制，因此可以形成非常窄的波束。
有多种方法可以对各个元件进行相移，但最简单的方法是使用可以在元件和源或接收器之间打开和关闭的延迟线。波束形成可用于发射和接收。对于发射，使用延迟线简单地延迟从源到每个元件的信号。对于接收，延迟从每个元件到接收器的信号，然后对所有信号进行求和 - 此过程通常称为“延迟和求和”。
只需调整每个元件的幅度和相位，就可以将波束转向指向不同的方向。由于幅度和相位是通过电子方式调整的，因此波束转向几乎是即时的。相控阵可以创建非常窄的波束并几乎可以即时转向，这一事实使其非常适合高性能雷达/电子战系统等应用。军舰上的单台相控阵雷达可以同时跟踪多个水面目标、跟踪多个空中目标并引导飞行中的导弹。
与两种电子扫描阵列架构一样，相控阵在所采用的波束成形方法上也有所不同，如图 8 所示。三种波束成形方法是：
• 模拟
• 数字
• 混合
无源阵列始于模拟波束成形。简单的架构包括一个带有高功率前端放大器和一对收发器的单个发射器和接收器。发射信号前进到多个前端模块，然后到达辐射元件阵列。每个前端模块由衰减器和移相器等无源设备组成。单个发射器/接收器对决定每个辐射元件。这些 PESA 系统中的功率放大器会导致单点故障，使阵列的整体功能变得脆弱。如果功率放大器发生故障，整个系统就会停止工作。
业界开始实施有源相控阵AESA分布式架构，以确保更高的系统稳健性。即使多个 PA功率放大器表现不佳或发生故障，天线阵列系统仍能保持功能。一些性能会损失，但尽管失去其中一个天线元件，阵列仍能工作。然而，这些有源阵列继续利用模拟波束成形。
下一代 AESA有源相控阵系统采用数字方法。此配置在每个 T/R模块后面提供信号源和接收器，从而实现最灵活的波束控制。根据应用环境的需求，相控阵可以用作单个大型天线、一定数量的专用子阵列或共享阵列。子阵列将天线阵列的不同部分用于不同目的，而共享阵列则同时从整个阵列中生成多个波束。
例如，一个子阵列可以执行对象跟踪，而另一个子阵列可以管理通信。子阵列可根据需要动态地重新调整用途。此外，数字波束成形可最大限度地减少发射器中的功率损耗并提高接收器灵敏度。
然而，数字波束成形也增加了开发复杂性，并且比模拟波束成形需要更多的组件和空间。对于低波束数系统，模拟波束成形提供了最具成本效益的功耗和工程复杂性解决方案。
另外，混合波束成形结合了模拟和数字波束成形功能，以优化功率、性能和多功能性要求。随着波束数量的增加，混合波束成形成为中间地带，而数字波束成形提供最多的波束数量。
数字波束成形
• 每个元件包含一个 ADC 和 DAC
• 提供最小的功率损耗和更高的接收器灵敏度
• 提供扫描灵活性（整个阵列、子集或单个元件）
• 增加功率和空间要求
模拟波束成形
• 所有元件共享一个 ADC和DAC
• 功率效率低下且接收器灵敏度下降
• 波束成形灵活性有限
• 可实现小尺寸实施
图 9 显示了相控阵技术演进的四个阶段。
最初的相控阵是机械扫描无源阵列，执行模拟波束成形。行业从电子扫描阵列 (ESA) 技术发展到模拟波束成形，随后采用 AESA有源相控阵技术。AESA有源相控阵可降低前端每个元件的射频功率，并允许更轻、更小的结构取代笨重的波导歧管。该平台为系统中的更多元件腾出了空间，并包括数字波束成形。
混合波束成形可实现更大的性能优化。
虽然 AESA有源相控阵和数字波束成形可带来显著的性能优势，但两者也增加了系统复杂性。
随着目前平面结构的趋势，整个相控阵将变得更小、更轻、更便宜。然而，系统也需要将更多组件集成到更小的外形尺寸中。最终，前端和后端射频和数字部分完全集成并直接连接到天线阵列，从而实现全尺寸、成本、功率、频率和带宽可扩展性。
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