相控阵天线架构的演进

人阅读 2025-02-24 16:10:09天线

前言

多年来，相控阵天线的架构一直在稳步演进，关键演进驱动力可以总结为：

军事需求：隐身目标探测、电子对抗、多功能一体化。

民用需求：5G/6G通信、自动驾驶、卫星互联网。

技术交叉：半导体工艺、材料科学、算法进步协同推动。

1. 早期探索与机械扫描时代（1940s-1950s）

技术背景：相控阵概念萌芽于二战期间，受限于电子器件水平，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：

电真空器件应用：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，但体积大、可靠性低。

雷达应用：如美国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。

局限性：成本高昂、维护复杂，仅限军事高端场景。

在第一代相控阵天线中，如图 1 所示，天线孔径被划分为大量的天线单元以实现波束的灵活性，每个单元都配有一个电控移相器。然而，当时仍使用集中式高功率发射和接收放大器。

图1.相控阵天线无源架构

2. 固态器件与模拟波束成形（1960s-1980s）

技术驱动：晶体管和微波集成电路（MIC）的成熟，推动固态相控阵发展。

架构演进：

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，如美国AN/SPY-1雷达（宙斯盾系统）。

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。

优势：可靠性提升，机械扫描部件减少，但灵活性和带宽仍受限。

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

3. 数字波束成形与有源相控阵（AESA）崛起（1990s-2000s）

技术突破：

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，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（DBF）：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。

应用扩展：

军事领域：F-22战斗机的AN/APG-77雷达、预警机雷达。

民用领域：气象雷达、卫星通信（如Thuraya卫星系统）。

到 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

4. 多功能集成与高频段拓展（2010s-至今）

技术融合：

软件定义无线电（SDR）：通过软件重构天线功能，支持通信、雷达、电子战一体化。

毫米波与太赫兹技术：5G通信（如28/39 GHz频段）和6G研究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）：5G基站部署数百天线单元，利用空间复用提升频谱效率。

低成本化趋势：

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：SpaceX星链（Starlink）卫星采用平面相控阵实现高速星地通信。

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。