相控阵应用的理解

一，相控阵原理

相控阵即相位补偿(或延时补偿)基阵，它既可用以接收，也可用以发射。其工作原理是对按一定规律排列的基阵阵元的信号均加以适当的移相(或延时)以获得阵波束的偏转,在不同方位上同时进行相位(或延时)补偿,即可获得多波束。其优点是，不必用机械转动基阵就可在所要观察的空间范围内实现波束的电扫描，非常方便灵活。同时，基阵的尺寸便可做得大一些以提高空间增益。

二，相控阵的优势和劣势

雷达扫描目标的方式分为两种。
第一种：雷达在搜索目标时，需要不断改变波束的方向。改变波束方向的传统方法是转动雷达天线，使波束扫过一定的空域、地面或海面，这种方式称为机械扫描。
第二种：雷达天线阵面上排列着成百上千个阵元，每个阵元都能发射和接收雷达脉冲。 通过计算机控制每个单元脉冲的相位和振幅，可以确定雷达整体波束的形状和方向，以这样方式进行的扫描，称为电扫描。接收单元将收到的雷达回波信号送入主机进行计算，完成雷达的搜索、跟踪和测量任务，这就是相控阵技术。

1，相控阵优势如下：

（1）波束切换速度快，可同时跟踪多目标；（2）无惯性波束，波束可灵活赋形以及空域滤波抗干扰；（3）无私服机构，自身体积小、重量轻，抗过载能力强；（4）发射功率高，探测距离远；（5）任务可靠度高；

2，相控阵劣势

三，相控阵的发展现状

Phasor Solution公司的平板天线几乎年年都在参展，2018年展会期间Phasor宣布了两项合作，分别是与低轨宽带星座LEOSAT和高轨通信卫星运营商Hispasat。作为合作联盟的成员，Phasor公司研制了Ka频段非同步轨道（NGSO）中继型低剖面电控天线，可满足任何使用情况下的需求。这种极低剖面电控天线技术可提供大带宽通信服务，使公司、政府及其它高端用户以比地面光纤快1.5倍的速率接入网络，同时具备高通量、超高的安全性和极低时延，可满足LeoSat星座对大数据和高速连接的需求。天线是固态的，没有移动部件，可电控跟踪卫星信号。天线可以是平板天线，也可是共形天线，可无缝嵌入移动平台，满足海事和移动市场的多种应用需求。相同技术也非常适合支持传统的固定卫星网络、高通量卫星和非同步卫星网络。Phasor公司的模块化天线结构使系统适用于任何使用情况的需求，无论是固定还是移动通信。

1，ThinKom-机械相控阵

美国休斯航空的 William W. Milory 等人于 1993 年提出平板波导 CTS 天线阵，即在平行板波导上表面设置连续横向枝节，从平行板波导侧面入射 TEM 模平面电磁波，通过横向枝节辐射到自由空间，辐射枝节具有天然的宽带特性，同时也具有辐射效率高、损耗低、结构紧凑等优点。

从天线最上层到最下层依次为天线固定结构、上层极化器、中间层极化器、天线结构、馈电结构和底盘，上层极化器和中间层极化器通过旋转，可以进行极化匹配（线极化和圆极化均可），天线结构和馈电结构为 VICTS 天线主体结构。

2，超材料波束形成技术

（1）原理

超材料是一种具有特殊结构和特性的新型材料，超材料元件设计为小于作用信号的波长，使其能够控制无线电信号的传播，实现对信号的阻挡、吸收、增强或弯曲等传播特性的改变。超材料天线并不像传统抛物面天线那样反射卫星信号，也不像相控阵天线那样产生和控制数千个独立信号，而是利用具有可调谐的材料元件结构散射无线电信号，来创建全息波束。

上图为超材料波束形成技术的原理。波束的方向由被激活的元件控制，激活时元件散射信号辐射的能量，通过软件控制和改变激活可调元件的分布，可产生指定方向上的波束，并且调整激活元件的模式可控制波束的极化方式和任意极化角度。寻星、锁星时间达us量级。 “超材料”天线采用与液晶显示器LCD一样的薄膜晶体管TFT技术，结构部件、制造工艺与平常的电脑显示器相近，Kymeta在2015年选择采用SHARP制造液晶电视机的大规模产品线来生产天线（因此低成本）。

（2）应用

Kymeta 的卫星平板天线KyWay 的重量约为9 公斤，长度为70cm，厚度仅为8 厘米，工作在Ku 频段。天线的功耗很低，波束形成功率不到1W，天线子系统模块功率约30W。天线的增益较高，接收增益为33dB，发射增益为32.5dB, 可使用单个天线口径进行发射和接收。Kymeta公司从2017 年10 月开始生产平板天线KyWay，并已获得Intelsat、Inmarsat、Telesat、SES、HISPASAT 等卫星运营商的入网许可，这意味着Kymeta 的终端能在他们的卫星网络中使用，而不会产生邻星干扰的隐患。

3，光学波束形成技术

（1）原理

光学波束形成技术是利用计算建模、材料科学和微波电子学的最新发展，创建的一种新型的微波折射波束形成器，对无线电信号传播方式进行严格的控制，实现波束形成。与相控阵天线相比，该技术使用光学波束形成器，显著减少了所需的电子元件，天线电路可减少70% 至95%，极大地降低了天线的成本和功耗。

整个天线由排列成蜂窝状的多个可扩展模块组成，天线的每个模块类似一个光学透镜，将无线电波的能量聚集到很小的有源阵列上，控制微波折射程度，即可形成不同方向的波束。

（2）应用

Isotropic Systems 公司成立于2014 年，位于英国伦敦。Isotropic Systems 创新性地提出了基于光学波束形成技术的新型电子扫描天线，通过控制电波传播方式实现波束形成，开发用于低成本、低功耗、无限瞬时带宽和无缝切换的卫星终端，支持在同一天线孔径下发送和接收信号。Isotropic Systems 的Ku 频段的光学波束形成天线，波束扫描范围可达到+/- 70 度。

相控阵列天线技术需要数量庞大的馈源才能在给定的方向上产生一个波束，每个馈源通道都有多个成本较高的电子器件，从而导致了天线价格昂贵。而Isotropic Systems 通过使用光学器件大规模地减少电路，仅使用相控阵天线方案20％的组成元件，对于一个65cm的Ku 频段卫星终端天线，相控阵天线可能会有4000 个元件，而Isotropic Systems只有不到800 个元件，从而显著降低成本，预计天线制造成本将低于1000 美元，相比传统相控阵和平板天线价格降低约90％。