以下文章來源于FPGA算法工程師，作者18線工程師

什么是相控陣天線?

簡單來說，相控陣天線是一種通過電子方式控制波束方向，而無需物理轉(zhuǎn)動天線的先進天線系統(tǒng)。

它的核心組成部分是多個按一定規(guī)則排列(陣列)的獨立天線單元(輻射單元)，每個單元后面都連接著一個相位/幅度控制器(通常是移相器)。

1. 核心工作原理：波的干涉

相控陣天線的工作原理基于物理學中的波束形成和相干干涉。

建設性干涉：當兩個或多個波的波峰與波峰相遇時，它們會相互疊加，使信號增強。

破壞性干涉：當一個波的波峰與另一個波的波谷相遇時，它們會相互抵消，使信號減弱。

相控陣通過精確控制每個天線單元發(fā)射或接收信號的相位(即波形在時間上的相對延遲)，來操縱這種干涉效應。

假設我們有一排天線單元，想要讓波束指向右側(cè)。

1.同時發(fā)射：如果所有單元同時發(fā)射信號，波前會形成一個平面，波束方向垂直于陣列，指向正前方。

2.順序延遲發(fā)射：如果我們讓最左側(cè)的單元最先發(fā)射，然后從左到右每個單元都依次延遲一點點時間再發(fā)射，那么這些波前疊加起來，就會形成一個傾斜的波前，從而使波束指向右側(cè)。

3.電子控制相位：在實際的相控陣中，這種“延遲”是通過移相器 來控制的。通過給每個天線單元的信號施加一個特定的相位偏移，就能在電子層面上實現(xiàn)同樣的效果，讓波束在空間中“偏轉(zhuǎn)”。

通過計算機實時、精確地控制每個單元的相位，就可以讓波束在極短的時間內(nèi)完成掃描、跳躍和形狀變化。

2. 主要技術特點與優(yōu)勢

與傳統(tǒng)機械掃描天線相比，相控陣天線具有革命性的優(yōu)勢：

1.無慣性電子掃描

速度極快：波束轉(zhuǎn)向是電磁波級別的速度，幾乎可以在微秒或納秒內(nèi)完成，能同時跟蹤多個目標或在多個方向間快速切換。 高靈活性：可以產(chǎn)生多個獨立的波束，同時執(zhí)行搜索、跟蹤、通信等多種任務。

2.高可靠性與冗余性

成百上千個天線單元中，即使有少量單元損壞，系統(tǒng)性能只會略有下降，而不會完全失效，實現(xiàn)了“ graceful degradation ”(性能漸變退化)。

3.多功能性

同一部天線可以同時用于雷達、電子戰(zhàn)、通信等多種功能，是現(xiàn)代軍用平臺(如戰(zhàn)艦、戰(zhàn)機)實現(xiàn)“綜合射頻系統(tǒng)”的核心。

4.隱蔽性與抗干擾能力強

波束可以設計得非常窄，能量集中，不易被敵方截獲(低概率截獲)。

可以快速將零點(信號極弱的區(qū)域)對準干擾源方向，有效抑制干擾。

5.長壽命

取消了笨重、易故障的機械轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，可靠性大大提高。

當然，它也有缺點：

成本高：大量的單元、移相器、T/R組件和復雜的信號處理系統(tǒng)導致制造成本高昂。

系統(tǒng)復雜：設計和校準難度大。

功耗和散熱：尤其是主動式相控陣，大量T/R組件工作時會產(chǎn)生大量熱量。

3. 主要類型

相控陣天線主要分為兩大類：

1.無源相控陣

只有一個中央發(fā)射機和接收機。 移相器位于天線單元和中央收發(fā)機之間，用于控制波束方向。 結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低，但功能性和可靠性不如有源相控陣。

2.有源相控陣

這是目前的主流和高端技術。每個天線單元(或子陣)后面都直接連接著一個完整的T/R組件，包含了微型化的發(fā)射機、接收機、移相器和放大器。

優(yōu)勢：

更高的可靠性(分布式發(fā)射源，單個組件失效影響小)。

更高的效率(信號在組件的放大環(huán)節(jié)損耗小)。

更靈活的功能(如實現(xiàn)自適應波束形成)。

性能遠超無源相控陣。

4. 天線單元組件

天線單元用于將電磁波從收發(fā)模塊傳輸/接收至自由空間。它們通常以格狀排列或與表面貼合，以高效率輻射能量。衛(wèi)星地面站需要具備雙極化能力，能夠同時支持左旋圓極化(LHCP)和右旋圓極化(RHCP)。

然而，在雙極化天線單元中，實現(xiàn)高隔離的交叉極化并不容易。最經(jīng)典的雙極化天線，如交叉偶極子和交叉縫隙天線，是通過復制一個輻射單元并將其以直角放置到原單元上來實現(xiàn)。近年來，采用兩種正交模式激勵的貼片天線也非常流行，每種模式對應單獨的極化。

5. T/R組件

T/R組件通常被視為最重要的部分，占相控陣天線整體成本的大約一半。在過去的幾十年里，T/R 模塊在材料、設計和布局技術方面已經(jīng)經(jīng)歷了顯著的變化 。圖 1展示了現(xiàn)代 T/R 模塊的典型布局。它包含幾個基本組件，如雙工器、濾波器、移相器、功率放大器、低噪聲放大器 (LNA)、混頻器、本地振蕩器 (LO)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)。

圖1 現(xiàn)代收發(fā)模塊的典型布局

雙工器

作為衛(wèi)星地面站，需要全雙工通信，以便與衛(wèi)星同時進行上行鏈路和下行鏈路。這是通過使用一種稱為雙工器(或環(huán)行器)的元件來實現(xiàn)的。它在抑制干擾的同時，將接收路徑與發(fā)射路徑隔離，同時允許它們共享一個公共天線單元。

濾波器

濾波器是一種頻率選擇性元件，它允許通過某一特定頻率帶的信號，同時抑制該頻帶以外的信號。例如，接收路徑中跟隨雙工器的濾波器是帶通濾波器(BPF)，用于通過接收到的信號，并衰減從發(fā)射路徑泄漏和耦合的發(fā)射信號。這對于衛(wèi)星通信應用尤為重要，因為其工作模式為頻率多路復用，而雷達應用則為時分多路復用。 圖2展示了典型帶通濾波器的傳遞函數(shù)。理想情況下，期望通過一定范圍的頻率，并完全消除帶外信號。濾波器的插入損耗表示通帶內(nèi)的衰減水平。通帶與抑制區(qū)域之間存在一個逐漸過渡區(qū)。濾波器設計的目標是提供陡峭的過渡，同時保持可接受的插入損耗。

圖2 典型帶通濾波器的傳輸函數(shù)

功放(PA)

功率放大器用于在輸入信號通過天線元件傳輸?shù)阶杂煽臻g之前對其進行放大。由于功率放大器的非線性，它會產(chǎn)生各種輸出信號的失真，包括高次諧波失真和交調(diào)產(chǎn)物。

低噪放大器(LNA)

LNA 的主要功能是放大從天線單元接收到的信號，然后將其發(fā)送到后續(xù)組件，例如混頻器、濾波器。接收路徑中的每個組件都會在信號上增加額外的噪聲。給定設備的輸出信噪比 () 將小于輸入信噪比 ()。這個噪聲因子 F 描述了設備引起的信噪比損失。

級聯(lián)組件的整體噪聲系數(shù)由下式給出

其中， 是噪聲系數(shù)， 是第 個元件的增益。

這個方程表明，在射頻級聯(lián)中，第一個元件決定了系統(tǒng)的最終噪聲系數(shù)。這意味著，所有位于第一個放大器之前的無源元件(如電纜和濾波器)都會對噪聲系數(shù)產(chǎn)生負面影響。同樣，在級聯(lián)中跟隨高增益放大器的元件對整體噪聲系數(shù)的影響很小。對于高性能低噪聲放大器(LNA)來說，它具有相對較低的噪聲因子和高增益，因此總噪聲因子主要由第一個元件LNA決定。為了實現(xiàn)良好的鏈路靈敏度，LNA必須盡可能靠近天線元件。

移相器

移相器用于改變信號的相位。理想的移相器在所有相位狀態(tài)下的插入損耗應低且近似相等。相移相對于頻率是一個常數(shù)，因此移相器通常用于窄帶波束賦形實現(xiàn)。對于寬帶波束賦形，則需要采用真時延(TTD)單元，其中時延是頻率的線性函數(shù)。

混頻與本振

本地振蕩器(LO)使用鎖相環(huán)(PLL)與晶體振蕩器結(jié)合生成所需頻率。在接收(Rx)鏈路中，混頻器用于將輸入信號從射頻(RF)頻段下變頻至中頻(IF)頻段。而在發(fā)射(Tx)鏈路中，混頻器用于將輸出信號從中頻(IF)頻段上變頻至射頻(RF)頻段?；祛l器的輸出是兩個輸入信號的和頻與差頻?；祛l器之后的第二個帶通濾波器(BPF)用于選擇所需的差頻分量，并將混頻產(chǎn)生的任意互調(diào)產(chǎn)物降至最小。這種外差式載波頻率轉(zhuǎn)換在工程實踐中已得到充分驗證，并已使用多年。然而，為了保持所需的寬頻帶，仍需要許多濾波器。如今，混頻器和頻率轉(zhuǎn)換過程并非必需。直接采樣方法允許直接對射頻信號進行采樣，并實現(xiàn)較大的輸入帶寬。

AD/DA

ADC用于將模擬域的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字采樣，而DAC則實現(xiàn)反向過程。ADC的動態(tài)范圍由有效位數(shù)N決定:

這給出了當信號電平處于ADC滿刻度值時可以實現(xiàn)的最大動態(tài)范圍。請注意，在計算中使用了有效位數(shù)N，因為它考慮了ADC中的非理想因素，這些因素限制了可實現(xiàn)的位數(shù)。ADC和DAC的采樣時鐘同步必須精心設計以最小化時間差。對于模擬波束形成和子陣級數(shù)字波束形成，先將來自多個天線單元的信號進行組合，然后再數(shù)字化，以節(jié)省ADC和DAC的數(shù)量。在單元級數(shù)字波束形成中，每個天線單元都有自己的ADC和DAC。如此高水平的數(shù)字化可以提高功能性，并相比其前代產(chǎn)品提供更好的性能。

6. FPGA在相控陣中的應用

FPGA在相控陣系統(tǒng)中通常位于數(shù)字波束成形和處理的前端，承擔以下核心任務：

1.數(shù)字波束成形 - 最核心的功能

這是FPGA在接收和發(fā)射模式下的首要任務。

接收波束成形：

每個天線單元接收到的模擬信號經(jīng)過下變頻后，由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

這些數(shù)字信號流并行地送入FPGA。

FPGA為每個通道施加一個由波束控制計算機計算好的復數(shù)權重。這個權重包含了為指向特定方向所需的相位偏移和幅度加權(用于降低旁瓣)。

FPGA將所有加權的通道數(shù)據(jù)進行對齊和求和，形成一個或多個指向特定方向的波束。

發(fā)射波束成形：

一個原始信號被送入FPGA。

FPGA復制該信號，并為每個發(fā)射通道施加一個特定的預相位和幅度權重。

經(jīng)過加權的數(shù)字信號流被發(fā)送到各自的DAC，轉(zhuǎn)換為模擬信號，再經(jīng)上變頻和功率放大后由天線輻射出去。這些信號在空間中干涉，形成指向預定方向的發(fā)射波束。

2. 校準與補償

相控陣的性能高度依賴于所有通道的一致性。但由于制造公差、溫度變化等因素，各通道的幅度和相位響應會存在誤差。FPGA用于實現(xiàn)：

實時通道校準：注入一個已知的測試信號，F(xiàn)PGA測量每個通道的響應差異，并計算補償系數(shù)。在正常工作時，將這些補償系數(shù)實時應用到數(shù)據(jù)流上，確保所有通道“步調(diào)一致”。

3. 信號處理與濾波

在波束成形之前或之后，F(xiàn)PGA還負責執(zhí)行大量的信號處理任務：

數(shù)字下變頻/上變頻：將信號搬移到基帶或中頻。

濾波：實現(xiàn)FIR、IIR等數(shù)字濾波器，抑制帶外噪聲和干擾。

脈沖壓縮：在雷達應用中，通過匹配濾波來提升距離分辨率和信噪比。

多波束形成：利用其并行能力，F(xiàn)PGA可以同時計算并生成多個獨立的波束，分別用于搜索、跟蹤和通信。

4. 波束控制與調(diào)度

FPGA與主控計算機協(xié)同工作：

接口：接收來自主控計算機的指令(如波束指向角、工作模式)。

查表與計算：FPGA內(nèi)部存儲著或?qū)崟r計算將角度轉(zhuǎn)換為每個通道所需相位權重的“移相碼”。

敏捷調(diào)度：以極高的時間精度執(zhí)行復雜的波束調(diào)度表，例如在幾個微秒內(nèi)讓波束從一個目標跳到另一個目標。