如何使用相控阵技术实现简化天线的设计

　　为提高性能，无线通信和雷达系统对天线架构的需求不断增长。只有那些功耗低于传统机械操纵碟形天线的天线才能实现许多新的应用。除了这些要求以外，还需要针对新的威胁或新的用户快速重新定位，传输多个数据流，并以超低的成本，延长工作寿命。有些应用需要抵消输入阻塞信号的作用，降低拦截概率。正在席卷整个行业的相控天线设计为这些挑战提供了解决办法。人们开始采用先进的半导体技术解决相控阵天线过去存在的缺点，以最终减小这些解决方案的尺寸、重量和功率。本文将简要介绍现有的天线解决方案以及电控天线的优势所在。在此基础上，本文将介绍半导体技术的发展如何帮助实现改进电控天线SWaP-C这一目标，然后举例说明ADI技术如何做到这一点。

　　依靠天线发送和接收信号的无线电子系统已经运行了100多年。随着精度、效率和更高级指标变得越来越重要，这些电子系统将继续改进和完善。在过去几年中，碟形天线已被广泛用于发射（Tx）和接收（Rx）信号，其中方向性至关重要，并且经过多年的优化，许多这些系统都能以相对低的成本良好地运行。这些碟形天线拥有一个用于旋转辐射方向的机械臂，它们的确存在一些缺点，包括转向慢、物理尺寸大、长期可靠性差并且只有一个符合要求的辐射图或数据流。因此，工程师们已转向先进的相控阵天线技术来改进这些特性、添加新功能。相控阵天线采用电动转向机制，相比传统机械转向天线具有诸多优点，例如高度低/体积小、更好的长期可靠性、快速转向、多波束等。凭借这些优势，相控阵已经被军事应用、卫星通信和包括车联网在内的5G电信等应用中得到广泛运用。

　　相控阵天线是组装在一起的天线元件的集合，其中，每个元件的辐射图均在结构上与相邻天线的辐射图组合形成称为主瓣的有效辐射图。主瓣在期望位置发射辐射能量，而根据设计，天线负责破坏性地干扰无用方向上的信号，形成无效信号和旁瓣。天线阵列设计用于最大化主瓣辐射的能量，同时将旁瓣辐射的能量降低到可接受的水平。可以通过改变馈入每个天线元件的信号的相位来操纵辐射方向。图1展示了如何通过调整每个天线中信号的相位，将有效波束控制在线性阵列的目标方向上。结果，阵列中的每个天线都具有独立的相位和幅度设置，以形成期望的辐射图。由于没有机械运动部件，所以很容易理解相控阵中波束快速转向的属性。基于IC的半导体相位调整可以在几纳秒内完成，这样我们就可以改变辐射图的方向，针对新的威胁或用户快速做出响应。类似地，我们可以从辐射波束变为有效零点以吸收干扰物的信号，使该物体看起来不可见，隐形飞机即是如此。重新定位辐射图或改变为有效零点，这些变化几乎可以立即完成，因为我们可以使用基于IC的器件而非机械部件，以电气方式改变相位设置。相控阵天线相比机械天线的另一个优势是它能同时辐射多个波束，因而可以跟踪多个目标或管理多个数据流的用户数据。这是通过在基带频率下对多个数据流进行数字信号处理来实现的。