無源電掃描陣列與「移相器」

　　從雷達研發初期，有一個問題就一直困擾著雷達設計人員，那就是如何取得雷達精度、距離和掃描時間之間的平衡。該問題源於這樣一個事實，即波束寬度較窄的雷達具有更高精度(解析度單元)，且在發射功率相同時(功率更集中)其探測距離更遠。

　　但是，雷達波束越窄，完成對其整個探測範圍掃描所需的時間就越長。此外，雷達增益越高(波束更窄)可能需要天線尺寸更大，而這不利於實現快速掃描(為了達到要求的精度，雷達可能需要採用尺寸巨大的天線，而即使通過機械方式也很難控制巨大的天線的轉動)。解決該問題的一種方法是採用無源電掃描陣列(PESA)。

　　PESA不依賴於機械裝置，而是依靠稱為波的幹涉現象來控制雷達波束。波的幹涉是當兩個或多個相同類型的波在空間同一點振蕩並相遇時發生的現象，這些波在一點的總振幅將以與水波紋類似的方式疊加，具體取決於這些波的相位差，幹涉可能使幅度增強抑或相消(如下圖所示)。

　　通過控制一組發射陣元的相位差，就可以控制增強和相消幹涉出現的位置，進而形成波束並控制其方向。重要的一點是，由於PESA雷達通過電子幹涉實現波束指向控制，因此控制波束從一個平面的一邊掃描到另一邊所需發射陣元的數量最少是2個(例如：發射陣元排列成一條水平線的陣列將無法控制波束完成垂直向掃描)。

　　PESA雷達通常包括：1個饋源、1個低噪聲放大器(LNA)、1個功率分配器、1個雙工器，大約1000-2000個發射陣元和相同數量的移相器，陣元的具體數量取決於雷達的尺寸和性能要求。

　　PESA雷達的發射單元可以是任何類型的各向同性或定向天線。一些常見的發射單元如下：

　　戰鬥機上配置的第一代有源/無源相控陣雷達最通常採用的輻射天線是貼片天線，因為最容易設計。現代有源相控陣漸漸轉為採用寬帶特性和增益比貼片天線更好的喇叭口輻射器：

　　無論採用何種天線陣元，輻射陣元數量增多，雷達的方向性特性就會提高。如上文所述，如果雷達的工作頻率(波長)保持不變，發射孔徑越大，得到的波束寬度就越窄，則雷達系統的作用距離和精度都會提高。

　　但是，對於任意相控陣系統，通過增大輻射陣元的間距來增大雷達孔徑的同時降低造價並不是一個好做法。因為，當輻射陣元的間距大於工作頻率時會出現柵瓣，這會極大降低雷達的性能。

　　移相器是PESA雷達上最重要且最昂貴的器件，沒有它們就無法控制信號相位，也就無法實現波束掃描。

　　延遲開關線/時延移相器

　　這是一種最簡單的移相器。原理是讓信號花費一點時間通過一段傳輸線。時延(相當於信號的相移)取決於傳輸線的實際長度、信號的頻率和信號在傳輸線介質中的相位速度。通過在兩條或更多條預先確定長度的傳輸線之間切換，使信號通過其中一條從而控制相移。延遲線法是最直接的方法，因為它利用兩個直接路徑之間的簡單時間延遲差來獲得所需相移。

　　數字移相器中使用的開關元件是：機械開關(或繼電器)、PIN二極體、場效應電晶體(FET)或微機電系統(MEMS)。時延移相器中通常使用PIN二極體開關，因為它們具有切換速度快、損耗小且偏置電路(可使PIN電阻的變化範圍大從約10千歐變到1歐姆)相對簡單的特點。

　　相移和時延的關係由下式確定：

　　時延(s)=[相移(°)] / [360°x頻率(Hz)]

　　時延移相器存在的問題是：其相位誤差隨頻率的升高而增大，體積隨著頻率的降低而增大，而且相位的變化會隨頻率的變化而改變(因此對於頻率太高或太低的情況都不適用)。

　　重要的一點是，雖然時延移相器與真時延器件/時延單元都基於相同的原理(多路徑結構)，但兩者卻有很大不同。時延移相器在兩個狀態(兩個狀態的相位不隨頻率變化)插入的相位差通常是固定的。這兩種狀態的時間延遲差非常小(兩種狀態的路徑長度相差小於一個波長)。

　　而時延單元可以提供多種、多波長相移。由於普通移相器無法實現恰當的時延差，因此波束在頻率上會出現失真(例如，如果陣列直徑為1m，則至少需要幾納秒的延遲)。為解決這一問題開始採用真時延單元。與移相器用在陣元級不同，真時延單元是用在子陣列級。

　　反射/正交移相器

　　這種移相器主要是一種正交耦合器，它將輸入信號分成相位差90°的兩路信號，這兩路信號被反射係數(如幅度和相位)相同的一對開關負載反射之後，在移相器的輸出端轉為同相。這種移相器利用被導電線反射後信號的相位相對入射信號發生變化的現象。

　　被反射的電壓波的相移相對於入射波從0°(開路-零變容二極體電容)到-180°(短路-無限變容二極體電容)變化。已經證明這種移相器具有很大的工作帶寬。但是由於變容二極體本身的物理局限，因此實際可獲得的最大相移只有約160°(也就是說，通過多個此種電路的組合可獲得更大的相移)。

　　I-Q矢量調製移相器

　　這種移相器與反射移相器類似，輸入到3dB正交混合電路的RF信號被分成兩路相等的輸出，但相位相差90°。同相或0°通道被指定為I通道，正交或90°通道被指定為Q通道。信號通過能夠為信號提供相移的雙相調製器(通常採用小型反射移相器作為雙相調製器)。

　　調製後信號獲得0°或180°相移，可以選擇任何一對正交矢量。之後這兩路信號在一個同相合成器中重新合成。由於I和Q分量的衰減都可控制，因此不僅可以控制輸出信號的相位，還可以控制其幅度。

　　高通-低通/開關濾波器移相器

　　由於延遲線移相器不能在大頻率範圍內提供恆定的相移，因此開發了一種開關濾波器移相器。這種移相器的原理是通過開關切換控制RF信號通過高通或低通濾波器通道。這種移相器與延遲線移相器大致類似，但是用濾波器代替了傳輸線。

　　低通濾波器由一系列電感和並聯的電容器組成，科使通過它的信號相位延遲。高通濾波器由一系列電感和電容組成，可使通過它的信號相位超前。與延遲線移相器不同的是，這種移相器可在很寬的工作頻率範圍內獲得非常一致的相移。而且與等效的開關線、反射式和I-Q調製器等移相器相比，開關濾波器移相器的整體尺寸很小，也因此使其成為雷達最常用的一種MMIC移相器。

　　PESA的優缺點

　　與普通反射天線相比，PESA的主要優點如下：掃描速率極高(可提高跟蹤目標數量，且更難以被雷達告警接收機發現)，可根據目標類型和任務要求對目標照射時間或駐留時間進行優化，高增益低副瓣(更難被幹擾，更難被敵方探測，且探測距離更遠)，隨機掃描方向圖(更難幹擾)，使用專用檢測和調製技術可輔助從噪聲背景中提取目標信號。

　　這種雷達的主要缺點是：造價較高，而且互耦問題使其掃描範圍無法超過60°(固定相控陣的視場為120°扇區，而機械掃描雷達可達到360°)。