文章来源：FPGA算法工程师
什么是相控阵天线？
简单来说，相控阵天线是一种通过电子方式控制波束方向，而无需物理转动天线的先进天线系统。
它的核心组成部分是多个按一定规则排列（阵列）的独立天线单元（辐射单元），每个单元后面都连接着一个相位/幅度控制器（通常是移相器）。
1. 核心工作原理：波的干涉
相控阵天线的工作原理基于物理学中的波束形成和相干干涉。
建设性干涉：当两个或多个波的波峰与波峰相遇时，它们会相互叠加，使信号增强。
破坏性干涉：当一個波的波峰与另一个波的波谷相遇时，它们会相互抵消，使信号减弱。
相控阵通过精确控制每个天线单元发射或接收信号的相位（即波形在时间上的相对延迟），来操纵这种干涉效应。
假设我们有一排天线单元，想要让波束指向右侧。
1.同时发射：如果所有单元同时发射信号，波前会形成一个平面，波束方向垂直于阵列，指向正前方。
2.顺序延迟发射：如果我们让最左侧的单元最先发射，然后从左到右每个单元都依次延迟一点点时间再发射，那么这些波前叠加起来，就会形成一个倾斜的波前，从而使波束指向右侧。
3.电子控制相位：在实际的相控阵中，这种“延迟”是通过移相器 来控制的。通过给每个天线单元的信号施加一个特定的相位偏移，就能在电子层面上实现同样的效果，让波束在空间中“偏转”。
通过计算机实时、精确地控制每个单元的相位，就可以让波束在极短的时间内完成扫描、跳跃和形状变化。
2. 主要技术特点与优势
与传统机械扫描天线相比，相控阵天线具有革命性的优势：
1.无惯性电子扫描
速度极快：波束转向是电磁波级别的速度，几乎可以在微秒或纳秒内完成，能同时跟踪多个目标或在多个方向间快速切换。 高灵活性：可以产生多个独立的波束，同时执行搜索、跟踪、通信等多种任务。
2.高可靠性与冗余性
成百上千个天线单元中，即使有少量单元损坏，系统性能只会略有下降，而不会完全失效，实现了“ graceful degradation ”（性能渐变退化）。
3.多功能性
同一部天线可以同时用于雷达、电子战、通信等多种功能，是现代军用平台（如战舰、战机）实现“综合射频系统”的核心。
4.隐蔽性与抗干扰能力强
波束可以设计得非常窄，能量集中，不易被敌方截获（低概率截获）。
可以快速将零点（信号极弱的区域）对准干扰源方向，有效抑制干扰。
5.长寿命
取消了笨重、易故障的机械转动结构，可靠性大大提高。
当然，它也有缺点：
成本高：大量的单元、移相器、T/R组件和复杂的信号处理系统导致制造成本高昂。
系统复杂：设计和校准难度大。
功耗和散热：尤其是主动式相控阵，大量T/R组件工作时会产生大量热量。
3. 主要类型
相控阵天线主要分为两大类：
1.无源相控阵
只有一个中央发射机和接收机。 移相器位于天线单元和中央收发机之间，用于控制波束方向。 结构相对简单，成本较低，但功能性和可靠性不如有源相控阵。
2.有源相控阵
这是目前的主流和高端技术。每个天线单元（或子阵）后面都直接连接着一个完整的T/R组件，包含了微型化的发射机、接收机、移相器和放大器。
优势：
更高的可靠性（分布式发射源，单个组件失效影响小）。
更高的效率（信号在组件的放大环节损耗小）。
更灵活的功能（如实现自适应波束形成）。
性能远超无源相控阵。
4. 天线单元组件
天线单元用于将电磁波从收发模块传输/接收至自由空间。它们通常以格状排列或与表面贴合，以高效率辐射能量。卫星地面站需要具备双极化能力，能够同时支持左旋圆极化（LHCP）和右旋圆极化（RHCP）。
然而，在双极化天线单元中，实现高隔离的交叉极化并不容易。最经典的双极化天线，如交叉偶极子和交叉缝隙天线，是通过复制一个辐射单元并将其以直角放置到原单元上来实现。近年来，采用两种正交模式激励的贴片天线也非常流行，每种模式对应单独的极化。
5. T/R组件
T/R组件通常被视为最重要的部分，占相控阵天线整体成本的大约一半。在过去的几十年里，T/R 模块在材料、设计和布局技术方面已经经历了显著的变化 。图 1展示了现代 T/R 模块的典型布局。它包含几个基本组件，如双工器、滤波器、移相器、功率放大器、低噪声放大器 (LNA)、混频器、本地振荡器 (LO)、模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC)。
图1 现代收发模块的典型布局
双工器
作为卫星地面站，需要全双工通信，以便与卫星同时进行上行链路和下行链路。这是通过使用一种称为双工器（或环行器）的元件来实现的。它在抑制干扰的同时，将接收路径与发射路径隔离，同时允许它们共享一个公共天线单元。
滤波器
滤波器是一种频率选择性元件，它允许通过某一特定频率带的信号，同时抑制该频带以外的信号。例如，接收路径中跟随双工器的滤波器是带通滤波器（BPF），用于通过接收到的信号，并衰减从发射路径泄漏和耦合的发射信号。这对于卫星通信应用尤为重要，因为其工作模式为频率多路复用，而雷达应用则为时分多路复用。 图2展示了典型带通滤波器的传递函数。理想情况下，期望通过一定范围的频率，并完全消除带外信号。滤波器的插入损耗表示通带内的衰减水平。通带与抑制区域之间存在一个逐渐过渡区。滤波器设计的目标是提供陡峭的过渡，同时保持可接受的插入损耗。
图2 典型带通滤波器的传输函数
功放（PA）
功率放大器用于在输入信号通过天线元件传输到自由空间之前对其进行放大。由于功率放大器的非线性，它会产生各种输出信号的失真，包括高次谐波失真和交调产物。
低噪放大器（LNA）
这个方程表明，在射频级联中，第一个元件决定了系统的最终噪声系数。这意味着，所有位于第一个放大器之前的无源元件（如电缆和滤波器）都会对噪声系数产生负面影响。同样，在级联中跟随高增益放大器的元件对整体噪声系数的影响很小。对于高性能低噪声放大器（LNA）来说，它具有相对较低的噪声因子和高增益，因此总噪声因子主要由第一个元件LNA决定。为了实现良好的链路灵敏度，LNA必须尽可能靠近天线元件。
移相器
移相器用于改变信号的相位。理想的移相器在所有相位状态下的插入损耗应低且近似相等。相移相对于频率是一个常数，因此移相器通常用于窄带波束赋形实现。对于宽带波束赋形，则需要采用真时延（TTD）单元，其中时延是频率的线性函数。
混频与本振
本地振荡器（LO）使用锁相环（PLL）与晶体振荡器结合生成所需频率。在接收（Rx）链路中，混频器用于将输入信号从射频（RF）频段下变频至中频（IF）频段。而在发射（Tx）链路中，混频器用于将输出信号从中频（IF）频段上变频至射频（RF）频段。混频器的输出是两个输入信号的和频与差频。混频器之后的第二个带通滤波器（BPF）用于选择所需的差频分量，并将混频产生的任意互调产物降至最小。这种外差式载波频率转换在工程实践中已得到充分验证，并已使用多年。然而，为了保持所需的宽频带，仍需要许多滤波器。如今，混频器和频率转换过程并非必需。直接采样方法允许直接对射频信号进行采样，并实现较大的输入带宽。
AD/DA
ADC用于将模拟域的信号转换为数字采样，而DAC则实现反向过程。ADC的动态范围由有效位数N决定:
这给出了当信号电平处于ADC满刻度值时可以实现的最大动态范围。请注意，在计算中使用了有效位数N，因为它考虑了ADC中的非理想因素，这些因素限制了可实现的位数。ADC和DAC的采样时钟同步必须精心设计以最小化时间差。对于模拟波束形成和子阵级数字波束形成，先将来自多个天线单元的信号进行组合，然后再数字化，以节省ADC和DAC的数量。在单元级数字波束形成中，每个天线单元都有自己的ADC和DAC。如此高水平的数字化可以提高功能性，并相比其前代产品提供更好的性能。
6. FPGA在相控阵中的应用
FPGA在相控阵系统中通常位于数字波束成形和处理的前端，承担以下核心任务：
1.数字波束成形 - 最核心的功能
这是FPGA在接收和发射模式下的首要任务。
接收波束成形：
每个天线单元接收到的模拟信号经过下变频后，由ADC转换为数字信号。
这些数字信号流并行地送入FPGA。
FPGA为每个通道施加一个由波束控制计算机计算好的复数权重。这个权重包含了为指向特定方向所需的相位偏移和幅度加权（用于降低旁瓣）。
FPGA将所有加权的通道数据进行对齐和求和，形成一个或多个指向特定方向的波束。
发射波束成形：
一个原始信号被送入FPGA。
FPGA复制该信号，并为每个发射通道施加一个特定的预相位和幅度权重。
经过加权的数字信号流被发送到各自的DAC，转换为模拟信号，再经上变频和功率放大后由天线辐射出去。这些信号在空间中干涉，形成指向预定方向的发射波束。
2. 校准与补偿
相控阵的性能高度依赖于所有通道的一致性。但由于制造公差、温度变化等因素，各通道的幅度和相位响应会存在误差。FPGA用于实现：
实时通道校准：注入一个已知的测试信号，FPGA测量每个通道的响应差异，并计算补偿系数。在正常工作时，将这些补偿系数实时应用到数据流上，确保所有通道“步调一致”。
3. 信号处理与滤波
在波束成形之前或之后，FPGA还负责执行大量的信号处理任务：
数字下变频/上变频：将信号搬移到基带或中频。
滤波：实现FIR、IIR等数字滤波器，抑制带外噪声和干扰。
脉冲压缩：在雷达应用中，通过匹配滤波来提升距离分辨率和信噪比。
多波束形成：利用其并行能力，FPGA可以同时计算并生成多个独立的波束，分别用于搜索、跟踪和通信。
4. 波束控制与调度
FPGA与主控计算机协同工作：
接口：接收来自主控计算机的指令（如波束指向角、工作模式）。
查表与计算：FPGA内部存储着或实时计算将角度转换为每个通道所需相位权重的“移相码”。
敏捷调度：以极高的时间精度执行复杂的波束调度表，例如在几个微秒内让波束从一个目标跳到另一个目标。