聊聊相位陣列

脈絡

無線掃描技術的發展始於19世紀末，當時透過高增益天線創造出固定窄波束。到了第二次世界大戰期間，雷達技術的發明使高增益天線能夠旋轉，以機械掃描波束，實現360°全方位覆蓋。

為了消除機械旋轉、提升設備壽命並加強多目標追蹤性能，PESA（被動電子掃描陣列）技術於1960年代誕生。自1980年代起，隨著高頻半導體技術的逐步成熟，各種AESA（主動電子掃描陣列）技術相繼發展。

儘管新一代的無線掃描技術比早期技術更加複雜，但其系統性能（探測距離、解析度、追蹤能力與可靠性）隨著世代更迭而大幅提升。下圖展示了無線掃描技術（雷達）的發展歷程，包括架構簡介、技術里程碑及市場挑戰。

運作

相位陣列（Phased Array）是一種透過調整天線元件的相位來控制電磁波方向的技術。相較於傳統的機械式天線轉向方式，相位陣列可以透過電子控制來快速改變波束方向，提升系統的靈活性與可靠性。

相位陣列的核心概念是利用多個天線元件組成天線陣列，並透過個別調整各天線元件的相位，使得電磁波在特定方向產生建設性干涉（constructive interference），而在其他方向則產生破壞性干涉（destructive interference），進而實現波束的電子掃描。其數學模型如下：

$$\Delta\Theta = \frac{2\pi d \sin\theta}{\lambda}$$

其中：

• $d$ 為天線單元間距
• $\lambda$ 為波長
• $\theta$ 為波束指向角度

此相位調整機制允許系統透過改變各天線單元的相位來動態調整波束方向，而無需物理移動天線結構。

應用

軍事與雷達應用

相位陣列技術最早應用於軍事雷達，如現代艦載雷達、預警機雷達（如 E-2D）、愛國者飛彈防禦系統等。其優勢包括：

• 多目標追蹤能力強：可以同時監測多個目標，適用於防空與導引系統。
• 快速波束轉向：可瞬間改變掃描方向，提升反應速度。
• 抗干擾能力強：可調整波束形狀以減少敵方干擾影響。

5G 與無線通訊

在 5G mmWave（毫米波）通訊中，相位陣列技術可實現波束成形（Beamforming），提升數據傳輸效率。應用場景包括：

• 基地台天線：用於 5G Massive MIMO 技術，提高信號覆蓋範圍與傳輸速率。
• 衛星通訊：LEO（低軌道衛星）通訊系統中，相位陣列可實現精確的波束控制，提升鏈路穩定性與頻譜效率​
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自駕車與雷達感測

• 毫米波雷達（mmWave Radar）：相位陣列應用於自動駕駛車輛的感測系統，可實現 360° 環繞偵測，增強安全性。
• 醫療影像：超聲波相位陣列用於醫學影像，如高解析度超音波掃描，提高診斷精準度。