一期一会 | 什么是相控阵列天线？

相控阵列天线是一组排列成阵列的单元天线其像单个天线一样协同工作通过电子方式控制发射无线电波无需物理移动天线即可使其指向一个或多个方向。在波束成形的过程中相控阵列系统以相同频率从每个天线单元发送信号但每个单元的相位和大小各不相同。这样做就会在电磁波叠加时产生相长干涉和相消干涉从而形成一种代表定向高增益波束的辐射方向图。大多数相控阵列天线是平面的由成百上千个天线单元组成这些单元可能排列成一条线、一个平面或者是三维立体结构。工程师会利用仿真驱动的高频电磁物理学来设计阵列元件、整体阵列配置以及驱动天线的射频RF硬件和电子电路。相控阵列天线的基础知识相控阵列天线系统十分复杂且功能强大包含电力电子设备、RF组件和天线设计。为了解设计团队如何配置相控阵列天线系统以及哪些应用适合该技术工程师应熟悉以下基础知识。无线电波振幅、相位、频率和波长无线电波是一种高频电磁辐射其波形是正弦波在大约3 KHz至3,000 GHz的带宽范围内振荡。此图显示了无线电波的基本特征它们是频率相同、但在相位和幅度上不同的两个信号的简化表示波长是波在一个周期内传播的距离。幅度是波的最大值而相位是每个波的峰值之间的差值或者说是它们的时间延迟。相控阵列天线的频率通常是恒定的只有微小的变化但每个天线的相位和振幅都可以发生变化。天线单元天线单元是阵列中的单个天线。虽然有许多不同类型的天线单元可以用于组合形成阵列但常用的天线单元是贴片天线、微带贴片天线、波导喇叭或单极子天线。天线的工作频率决定了单元的尺寸和间距。天线增益天线增益是在给定方向上信号强度振幅与理论上理想各向同性辐射源相比的比值理想各向同性辐射源会把信号均匀地向所有方向发射。相控阵列天线波束形成器组件波束形成器由电子和RF电路组成用于将输入信号转换为可控的传输信号。无源相控阵列系统是常见的相控阵列天线类型其使用一系列组件如发射器功率放大器、波束形成器和各个天线单元将单个输入信号转换为指向所需方向的信号。波束形成器通常由衰减器、移相器或提供类似功能的组件组成。由关键组件组成的电路用于生成具有特定宽度和方向信号收发器功率放大器PA输入信号被放大以产生所需的放大信号然后由接收器进行测量。功率分配器功率分配器将输入信号分成多个信号以提供给每个天线单元电路。衰减器衰减器可根据需要增加或减少每个天线单元的振幅这些衰减器可以是数字或模拟的器件也可以是无源的或有源的。移相器这些数字或模拟器件会给波形引入较小的延迟这是控制波束的关键步骤。天线单元最后信号到达天线单元并以所需的相位和振幅传输。低噪声放大器LNA天线在被用作接收天线时会含有低噪声放大器。发送/接收开关如果天线用于接收信号开关将通过LNA而不是功率放大器来发送输入信号。控制相控阵列的计算机会以电子方式快速修改每个天线单元的振幅和相位以便快速改变波束方向。波束方向波束方向是在合并每个天线单元的信号后从天线原点指向最大信号幅度的点的方向。天线设计将使用两个角度来指定矢量方位角是在与地平线平行的平面上的角度俯仰角是指在地平面上抬起的角度。波束宽度信号振幅与波束扫描角的关系图上会显示相控阵产生的驼峰形状被称为波瓣的主波束和其他波束。波束宽度是指最强波瓣的宽度以度°为单位。有两种方法可用于测量波束宽度。第一种方法是测量从一个零点波束幅度降为零的位置到另一个零点的距离被称为第一零点波束宽度FNBW。第二种方法是测量从峰值降低一半功率情况下的宽度被称为半功率波束宽度HPBW。波束控制和扫描以电子方式设置波束方向被称为波束控制。当波束方向在辐射方向图上移动时这被称为波束扫描。更复杂的相控阵列天线能够以略微不同的频率在不同方向控制多个波束。旁瓣旁瓣是辐射方向图中除主波束之外的任意局部最大值。它们会消耗能量并且造成干扰。阵列设计旨在最大限度地减小旁瓣的幅度。相控阵列天线的类型相控阵列天线有多种形式。业界专家会根据所用的拓扑和波束成形技术对不同类型的相控阵列天线进行分类。相控阵列拓扑一种区分相控阵列系统类型的方法是根据天线单元的相对位置对其进行分类。大多数系统都属于下列其中一种拓扑类型线1D阵列天线单元沿水平线排列以更改波束的方位角或沿垂直线排列以控制俯仰角。平面2D阵列天线单元排列在平面平面结构上可以控制俯仰角和方位角以覆盖天线上方的整个空间。3D阵列天线单元呈立体排列能够在任何方向上控制一个或多个波束。波束成形器的类型无源电子扫描阵列PESA无源相控阵列是整个阵列只有一个收发器的天线。这是常见的相控阵列配置类型。有源电子扫描阵列AESA在有源相控阵列天线中每个天线单元或单元子集都有一个模拟收发器模块用于在每个单元中产生相移。这种更先进的方法通常用于军事应用。数字波束成形DBF相控阵列DBF阵列天线使用数字收发器模块来改变每个天线单元中的相位和振幅。它还可以产生多个波束并使用FPGA芯片或阵列计算机以数字方式形成天线辐射模式。此外数字波束成形阵列还可以在辐射方向上形成零点null用于故意最大限度地降低接收灵敏度减少已知方向上的相互干扰。混合波束成形相控阵列AESA和DBF方法可以结合使用以形成混合波束成形相控阵列。这种方法包括子阵列。每个子阵列都使用一个模拟收发器而且子阵列中的每个单元都有自己的数字收发器。这种方法可以创建同步波束集群。相控阵列天线的优势和应用设计通信系统和传感器的工程师使用相控阵列天线来创建具有空间选择性的无线射频信号源。天线阵列使系统能够实现以下一种或多种功能组合多个天线单元以创建大的孔径和更强的信号使用波束成形创建电子可控天线使用自适应、混合或数字波束成形创建同时指向多个方向的波束并最大限度地减少与其他RF系统之间的干扰与传统的机械控制反射面天线和桅杆天线相比这些功能具有一些显著优势电子控制波束可以更快地扫描或非常快速地切换波束方向。与由大型抛物面组成机械转向的反射面天线相比相控阵列天线通常占用的空间更小重量更轻并且可以安装在车辆或建筑物的表面。在大多数情况下相控阵列系统还可利用更低的成本实现相同的性能水平尤其是当集成电路IC用于波束成形或天线单元时。可靠性信道中的单个组件可能会发生故障而不会影响整个天线系统的基本性能。事实上与机械天线系统的单点故障问题相比相控阵列系统的组件故障只会导致性能适度下降。使用单个设备将信号指向多个方向。由于每个天线单元的功率会相加在一起因此它们的功率效率更高。在这些优势的推动下早期射频先驱者研发了相控阵雷达和射电天文阵列这些阵列甚至能够放大由遥远恒星发出的非常微弱的信号。随着时间的推移相控阵列应用的数量不断增加包括用于其他航空航天系统以及医疗、汽车、工业和通信系统的天线。多向阵列天线系统可实现现代4G和5G电信网络未来的6G电信网络最新的WiFi接入点自动驾驶汽车雷达系统治疗性医疗器械仿真如何实现相控阵列天线设计如果没有仿真即使是设计小型相控阵天线阵列也会十分困难。因此对于拥有数千个天线单元的系统来说仿真更是至关重要。从阵列间距到旁瓣损耗如果一切依靠手动计算将会举步维艰在暗室中测量辐射方向图也成本高昂且非常耗时。通过仿真工程师不仅可以设计阵列和波束成形组件还可以优化系统的效率、成本和速度。团队还能够使用仿真来了解制造公差和材料变化对设计的影响。工程师使用仿真工具来设计、验证和优化天线阵列、天线单元和波束成形组件。他们还可以对天线与整个系统的交互方式进行仿真。全面、易用且准确的高频电磁学有限元工具如Ansys HFSS高频电磁仿真软件适用于相控阵列天线的几乎所有电磁相关环节。凭借强大的网格划分、并行求解器和专为阵列创建的工作流程该软件堪称组件和系统级建模的黄金标准。HFSS软件可对从单个波导到整个装配体的信号传播等所有方面进行仿真并在硬件可用之前就对天线进行建模。Ansys Perceive EM射频信道和雷达特征仿真软件等应用中采用的弹跳射线法使用户能够对其天线在远距离和障碍物周围如仓库中的货架或城市中的建筑物等的性能进行建模从而将仿真提升到一个新的水平。在设计天线系统时负责评估其本地安装影响的团队会使用HFSS软件中的弹跳射线法SBR功能来分析天线与发射塔、建筑物或车辆的自耦合效应。工程师还可以利用系统级工具如Ansys RF信道建模器高保真度无线信道建模软件借助仿真来对其天线设计在网络中的工作方式进行建模。设计团队在理解并优化电磁特性后需要了解相控阵列系统的热和结构响应。他们可以使用诸如Ansys Mechanical结构有限元分析FEA软件或Ansys Icepak电子冷却仿真软件等工具这些工具可与高频电磁求解器连接。如果天线安装在车辆或飞机上他们可能需要使用CFD工具如Ansys Fluent流体仿真软件来了解和设计高速空气动力载荷。深圳市摩尔芯创科技有限公司ANSYS 中国区授权代理商可提供 Ansys Lumerical 光子学仿真、Ansys Zemax 光学设计、Ansys Speos 光学成像仿真、Ansys HFSS 电磁仿真、SIwave、Q3D、Maxwell、Icepak 热仿真、Mechanical 结构仿真、LS-DYNA、Sherlock 可靠性仿真、Fluent/CFX 流体仿真等全套 EDA 与 CAE 工业软件配套工程仿真、项目 Debug、技术培训、定制开发服务广泛服务半导体、硅基光电子、汽车电子、新能源、智能穿戴、医疗电子等行业以及国内各大高校科研单位。