相控陣天線

相控陣天線指的是通過控制陣列天線中輻射單元的饋電相位來改變方向圖形狀的天線。控制相位可以改變天線方向圖最大值的指向，以達到波束掃描的目的。

在特殊情況下，也可以控制副瓣電平、最小值位置和整個方向圖的形狀，例如獲得餘割平方形方向圖和對方向圖進行自適應控制等。 用機械方法旋轉天線時，慣性大、速度慢，相控陣天線克服了這一缺點，波束的掃描速度高。它的饋電相位一般用電子計算機控制，相位變化速度快（毫秒量級），即天線方向圖最大值指向或其他參數的變化迅速。這是相控陣天線的最大特點。

基本介紹

• 中文名：相控陣天線
• 外文名：Phased Array Antenna
• 作用：改變天線方向圖最大值的指向
• 最大值：最大值指向或其他參數的變化
• 適用範圍：可製成多功能雷達
• 特點：其他參數的變化迅速

子陣

一般相控陣天線應對每一輻射單元的相位進行控制。為了節省移相器和簡化控制線路，有時幾個輻射單元共用一個移相器。共用一個移相器的單元組合稱為子陣。

為了降低成本和簡化結構，可以把天線設計成在一維範圍內（例如在水平面內）用機械方法旋轉，而在另一維範圍內（例如在垂直平面內）用相控方式來控制波束的掃描。這種混合式掃描天線已得到廣泛套用。

關鍵器件

相控陣天線的關鍵器件是移相器和天線輻射單元。移相器分連續式移相器和數字式移相器兩種。連續式移相器的移相值可在0°～360°範圍內連續變化，數字式移相器的移相值是離散的，只能是360×(1/2)^n的整數倍，式中n是數字式移相器的位數。例如3位數字式移相器的移相值只能是 45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。移相器應保證在一定的頻率範圍內獲得所需要的移相值，同時還需要滿足一定的耐功率和溫度穩定性等要求，以保證相控陣天線能在不同頻率上和在變化的環境條件下正常工作。

天線輻射單元的設計應使一定移相範圍內（或波束掃描範圍內）和一定頻率範圍內的輸入阻抗的變化儘可能小，以保證發射機正常工作，防止由於射頻信號的多次反射而出現寄生副瓣和方向圖中出現凹點（盲點）的現象。為此，可採用互耦小的單元或採取專門的去耦措施。

饋電方式

相控陣天線的饋電方式分傳輸線饋電和空間饋電兩種。在傳輸線饋電方式下，射頻能量通過波導、同軸線和微帶線（見微帶線和類微帶線）等微波傳輸線饋給輻射單元。移相器置於微波傳輸線路內。在空間饋電方式下，發射機產生的射頻能量通過輻射裝置輻射至自由空間，傳輸一段距離後由一個接收陣接收，接收陣的每個單元或一組單元所接收到的信號，經過移相器移相後再饋給發射陣的發射單元並輻射出去。在這種情況下，移相器位於發射陣和接收陣之間。空間饋電的饋電線路簡單，但需要增加一個接收陣。傳輸線饋電的饋電線路複雜。

設計

相控陣天線陣列本身的設計主要是幅度、相位分布設計和單元阻抗設計。陣列尺寸由波束寬度最窄時的寬度值和副瓣電平決定。相位分布主要根據波束要求而定。由於單元方向圖和阻抗的限制，通常平面相控陣最大掃描範圍為±60°的圓錐，加上一個球罩透鏡後也可得到半球掃描。

若僅要求方向圖最大值在空間移動（掃描），只需要形成線性變化的相位分布。這時方向圖的最大值方向垂直於等相位面。使用數字式移相器時，除了幾個特殊角度以外，一般得不到精確的線性相位分布。這時在方向圖的某些方向上會出現寄生副瓣，其大小與具體的相位分布規律有關。為了滿足特殊要求，則需要採用方向圖綜合法，事先算出所需的陣面相位分布。例如，可以將陣面分成若干個區域，把每一區域都看成獨立的陣面來設計這個陣的方向圖，這樣就能在空間得到多個同時存在的波束，也可以利用特殊的相位分布使方向圖變寬或形成餘割平方形方向圖。

為了簡化饋電結構，有些相控陣天線是等幅度的。為了克服等幅分布時副瓣電平高的缺點，可採用密度加權，即有源輻射單元在陣面上的分布是不均勻的，其分布密度按一定的規律變化。在有源輻射單元的邊上放置不饋電的無源輻射單元，以改善輻射單元的阻抗特性。

相控陣天線輻射單元的數量多,當失效單元數在5%以下時對天線陣性能的影響不大，因而可靠性較高。

雷達中使用相控陣天線後，波束控制靈活性顯著提高，故可製成多功能雷達，使一部雷達起幾部常規雷達的作用。隨著微波積體電路技術的發展和新型移相器的出現，相控陣天線的成本正不斷下降,體積越來越小,重量也在進一步減輕。