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相控阵传输最初由诺贝尔奖获得者卡尔·布劳恩于1905年展示，他展示了无线电波在一个方向上的加速传输。在二战期间，诺贝尔奖获得者路易斯·阿尔瓦雷茨在快速可操纵雷达系统中使用相控阵传输进行“接近地面控制”，帮助飞机着陆的系统。与此同时，德国的GEMA建造了Mammut 1。它后来被用于射电天文学，在剑桥大学开发了几款大型相控阵之后，安东尼·休什和马丁·里尔获得了诺贝尔物理学奖。这种设计也用于雷达，并在干涉无线电天线中得到推广。  （1905年所展示的定向天线采用了相控阵原理，由3个单极天线组成一个等边三角形。一根天线馈线中的四分之一波延迟导致阵列在波束中辐射。延迟可以手动切换到3个馈源中的任何一个，将天线波束旋转120°。） 在天线理论中，相控阵通常是指一个电子扫描阵列，一个由计算机控制的天线阵列，它产生一束无线电波，可以通过电子控制指向不同的方向，而无需移动天线。 在简单阵列天线中，来自发射机的射频电流以正确的相位关系馈送到各个天线，使得来自各个天线的无线电波相加以增加期望方向上的辐射，而相消以抑制不期望方向上的辐射。在相控阵天线中，来自发射机的功率通过一种称为移相器的装置馈送到天线，移相器由计算机系统控制，可以通过电子方式改变相位，从而将无线电波的波束转向不同的方向。由于相控阵必须由许多小型天线（有时数千个）组成，才能获得高增益，因此相控阵主要适用于无线电频谱的高频端、UHF和微波波段，其中天线单元非常小。 单个天线辐射的信号之间的相对振幅以及建设性和破坏性干扰效应决定了阵列的有效辐射方向图。相控阵可用于指向固定的辐射方向图，或在方位角或仰角上快速扫描。1957年，加州休斯飞机公司的相控阵天线首次演示了方位角和仰角同时进行的电扫描。  动态相控阵的每个阵列单元包含一个可调移相器，该移相器共同作用于相对于阵列面移动的波束。动态相控阵不需要物理运动来对准波束。光束以电子方式移动。这可以产生足够快的天线运动，使用一个小的铅笔波束同时跟踪多个目标，同时只使用一个雷达集（搜索时跟踪）搜索新目标。 例如，具有2度波束且脉冲率为1 kHz的天线将需要大约8秒来覆盖由8000个指向位置组成的整个半球。这种配置提供了12个机会来检测100公里范围内的1000米/秒的车辆，这能满足军事应用的需求。 可以预测机械操纵天线的位置，这可以用来创建干扰雷达工作的电子对抗措施。相控阵操作带来的灵活性允许波束对准随机位置，从而消除了此漏洞。这对于军事应用也是可取的。 而半主动雷达寻的导引使用单脉冲雷达，依靠固定相控阵产生多个相邻波束，测量角度误差。这种外形适合于导弹导引头的万向节安装。比如美军的SPS-48雷达使用多个发射频率，沿阵列左侧有一条蛇形延迟线，以产生叠加波束的垂直扇形。当每个频率沿着蛇形延迟线传播时，会经历不同的相移，从而形成不同的波束。滤波器组用于分离各个接收波束。天线以机械方式旋转。  （SPS-48雷达） 相控阵也在较小程度上用于非定向阵列天线，其中馈电功率的相位和天线阵列的辐射方向图是固定的。例如，由多个桅杆辐射器组成的AM广播无线电天线馈电以产生特定的辐射方向图也被称为相控阵。  （图一为显示相控阵工作原理的动画。它由一个由发射机（TX）供电的天线单元阵列（A）组成。每个天线的馈电电流通过由计算机（C）控制的移相器（φ）。移动的红线显示了每个元素发射的无线电波的波前。单个波前是球形的，但它们在天线前面结合（叠加）形成一个平面波，一束无线电波朝着特定的方向传播。移相器延迟无线电波逐渐向上移动，这样每个天线发射的波前都比下面的要晚。这使得产生的平面波指向与天线轴成θ角的方向。通过改变相移，计算机可以立即改变光束的角度θ。大多数相控阵天线都是二维天线阵列，而不是这里所示的线性阵列，波束可以在二维方向上进行控制，让无线电波的速度大大减慢了。） 相控阵有多种形式。然而，四种最常见的是无源相控阵、有源电子扫描阵列、混合波束形成相控阵和数字波束形成阵列。 无源相控阵或无源电子扫描阵列其天线元件连接到单个发射器和/或接收器，如图以的动画所示。PESA是最常见的相控阵类型。一般来说，无源相控阵使用一个接收器/激励器来处理整个阵列。 无源相控阵通常使用大型放大器，为天线产生所有的微波发射信号。移相器通常由磁场、电压梯度或等效技术控制的波导元件组成。无源相控阵使用的相移过程通常将接收波束和发射波束置于对角的象限中。相移符号必须在发射脉冲结束后和接收周期开始前反转，以便将接收波束置于与发射波束相同的位置。这就需要相位脉冲来降低多普勒雷达和脉冲多普勒雷达的子杂波可见度性能。钇铁石榴石移相器必须改变后，发射脉冲淬火和接收器处理前开始对齐发射和接收光束。这种脉冲会引入调频噪声，从而降低杂波性能。无源相控阵设计用于宙斯盾作战系统的波达方向估计。  有源相控阵或有源电子扫描阵列，其每个天线单元都有一个模拟发射器/接收器（T/R）模块，该模块产生电子引导天线波束所需的相移。有源阵列是一种更先进的第二代相控阵技术，用于军事应用。与无源相控阵不同，它们可以同时向不同方向发射多个频率的无线电波束。但是波束的数量同时受到波束形成器电子封装的实际原因的限制，一个有源相控阵大约有三个同时波束。每个波束形成器都有一个与之相连的接收器/激励器。  （美国在阿拉斯加部署有源相控阵弹道导弹探测雷达。它于1979年完工，是首批有源相控阵雷达之一。） 混合波束形成相控阵可以看作是AESA和数字波束形成相控阵的组合。它使用有源相控阵子阵列（例如，子阵列可以是64、128或256个单元，单元的数量取决于系统要求）。子阵列组合在一起形成完整的阵列。每个子阵列都有自己的数字接收器/激励器。这种方法允许同时创建束簇。 数字波束形成相控阵在阵列中的每个单元上都有一个数字接收器/激励器。每个元件上的信号由接收器/激励器数字化。这意味着可以在现场可编程门阵列或阵列计算机中以数字方式形成天线波束。这种方法允许同时形成多个天线波束。 相控阵的一种可能的存在方式称为共形天线。其单个天线不是布置在平面上，而是安装在曲面上。移相器补偿由于天线元件在表面上的不同位置而导致的波的不同路径长度，从而允许阵列辐射平面波。共形天线用于飞机和导弹中，将天线集成到飞机的曲面中以减小气动阻力。  （当相邻天线之间的相位差在−120和120度之间扫掠时，显示由15个天线单元组成的相隔四分之一波长的相控阵辐射方向图的动画。暗区是光束或主瓣，而围绕它展开的光线是副瓣。） 相控阵技术也应用于民用领域。在广播过程中，许多调幅广播电台都使用相控阵来增强信号强度，从而提高覆盖范围，同时尽量减少对其他非广播地区的信号干扰。由于白天和夜间电离层传播在中波频率上的差异，调幅广播电台通常在日出和日落时通过切换提供给各个天线单元（桅杆辐射器）的相位和功率水平来改变白天（地波）和夜间（天波）的辐射模式。对于短波广播，许多电台使用水平偶极子阵列。一种常见的排列方式是在4×4阵列中使用16个偶极子。通常这是在一个铁丝网反射器前面。相位调整通常是可切换的，以允许在方位角和有时在仰角进行波束控制。 无线电发烧友可使用较普通的相控阵长线天线系统，从很远的距离接收长波、中波和短波无线电广播。 在更高频上，相控阵广泛用于调频广播。这大大增加了天线传输的效果，放大了发射到地平线的射频能量，从而大大增加了电台的广播范围。在这些情况下，到发射器的每个元件的距离是相同的，或者是一个（或其他整数）波长间隔。对阵列进行相位调整，使较低的单元稍微延迟（通过延长到它们的距离）会导致波束向下倾斜，如果天线在无线电塔上相当高，这是非常有用的。  其他相位调整可以在不倾斜主瓣的情况下增加远场中的向下辐射，产生零填充以补偿极高的山顶位置，或者在近场中减少辐射，以防止这些工人或甚至附近的地面房主受到过度照射。后一种效果也是通过半波间距来实现的，即在具有全波间距的现有元件中间插入额外元件。这种相位调整可获得与全波间隔大致相同的水平增加；也就是说，五单元全波间隔阵列等于九单元或十单元半波间隔阵列。 许多海军的军舰也使用相控阵雷达系统。由于波束可以快速转向，相控阵雷达允许军舰使用一个雷达系统进行表面探测和跟踪（寻找船只）、空中探测和跟踪（寻找飞机和导弹）以及导弹上行链路能力。在使用这些系统之前，飞行中的每一枚地对空导弹都需要一个专用的火控雷达，这意味着雷达制导武器只能同时打击少量目标。在导弹飞行的中段阶段，相控阵系统可以用来控制导弹。在飞行的终端部分，连续波火控指挥员向目标提供最终制导。由于天线方向图是电子控制的，相控阵系统可以以足够快的速度引导雷达波束，从而在同时控制多个飞行中导弹的同时，保持对多个目标的火控质量跟踪。  （安装在德国海军萨克森级护卫舰F220汉堡号上层建筑上的有源相控阵雷达） AN/SPY-1相控阵雷达是部署在现代美国巡洋舰和驱逐舰上的宙斯盾作战系统的一部分，能够同时执行搜索、跟踪和导弹制导功能，具有超过100个目标的能力。同样，在法国和新加坡服役的泰雷兹-赫拉克勒斯相控阵多功能雷达也有一个独特的优势，其跟踪能力为200个目标，能够在一次扫描中实现自动目标检测、确认和跟踪启动，同时为从舰上发射的MBDA Aster导弹提供中段制导更新。德国海军和荷兰皇家海军开发了有源相控阵雷达系统。MIM-104爱国者和其他地面防空系统使用相控阵雷达也有类似的好处。 信使号飞船是一个前往水星的空间探测器任务。它是首次使用相控阵天线进行通信的深空任务。辐射单元是圆极化的开缝波导。这种天线使用X波段，使用了26个辐射单元。 自2003年4月23日以来，美国国家严重风暴实验室一直在使用美国海军提供的SPY-1A相控阵雷达，在俄克拉荷马州诺曼的实验室进行天气研究。希望这项研究能使人们更好地了解雷暴和龙卷风，以增加对恶劣天气的预警。该项目包括研究和开发，未来的技术转让和潜在的部署系统在整个美国。预计需要10到15年才能完成，初步建设约2500万美元。而日本理工高等计算科学研究所的一个团队已经开始了使用相控阵雷达进行即时天气预报新算法的实验工作。  （俄克拉荷马州诺曼国家严重风暴实验室的AN/SPY-1A雷达装置。封闭的天线罩提供天气保护。） 在电磁波的可见或红外光谱范围内，可以构造光学相控阵。它们用于波长复用器和滤波器，用于通信目的，激光束控制和全息照相。合成阵列外差探测是一种将整个相控阵复用到单元件光电探测器上的有效方法。光学相控阵发射器中的动态波束形成可用于电子光栅或矢量扫描图像，而无需使用透镜或无透镜投影仪中的机械运动部件。光学相控阵接收器已被证明能够通过选择性地观察不同的方向来充当无透镜相机。 相控阵装置也被应用于卫星宽带互联网收发机。星链是一个低地球轨道卫星群计划，从2020年开始建设。它旨在为消费者提供宽带互联网连接，系统的用户终端将使用相控阵天线。到2014年，相控阵天线已经被集成到射频识别系统中，使单个系统的覆盖面积增加100%，达到76200平方米。因此星链计划并不是异想天开，只要各国允许其在太空外建设和不计成本，该项计划是可以实现的。  2008年，东京大学Shinoda实验室开发了一种称为机载超声触觉显示器的声学换能器相控阵，用于诱导触觉反馈。该系统被证明能够使用户交互操作虚拟全息物体。 相控阵雷达最近被用于作为射电望远镜的焦点，以提供许多光束，使射电望远镜具有非常广阔的视野。比如澳大利亚的ASKAP望远镜和荷兰的Apertif升级为Westerbork合成射电望远镜。 总之相控阵技术多被用于军事雷达系统，用来引导无线电波束快速穿越天空，探测飞机和导弹。这些系统现已广泛应用，并已推广到民用领域。相控阵原理也应用于声学，声学换能器的相控阵应用于医学超声成像扫描仪（相控阵超声）、油气勘探（反射地震学）和军用声纳系统，真正实现了由军用转向民用的广阔前景，先进技术有时并不只用于杀戮，运用好了也能造福人类。 |
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