相控陣雷達是戰鬥機、戰艦、導彈雷達等尖端軍火的寵兒。它是一個密佈著天線單元，沒有機械結構，不可轉向的平板，形態和傳統雷達大相徑庭，卻擁有傳統雷達難以比肩的優異效能。而其中運用的相控陣技術，已經在悄無聲息間潛入了我們的生活。

我們印象中的雷達總有一個曲面在不停轉動，以此向各個方向發射電磁波，並接收匯聚返回的電磁波，透過時間差判斷目標的方位和距離。只有機械結構的轉動才能讓雷達接收到不同方向的訊號。但是，現代武器裝備中的很多雷達已經不再是這個樣子了——它們變成了一塊塊平板，機械結構消失不見了。

這種名為相控陣雷達的平板，能避免機械結構帶來的磨損，提高系統可靠性，無疑是一大進步。但是，既然這個平板一樣的雷達不能轉動，它是怎麼像以前的雷達一樣，探測各個方向的電磁波呢？

相位舞者

答案是波的干涉。就像高中物理課本中說的那樣，當兩個波源發出同頻率的波時，波的空間振幅分佈會出現特定的變化。而相控陣增加了波源的數量，可以實現更精細的控制。按照惠更斯原理，波前上每一個點都能看作波源。而相控陣則是反過來，用計算機控制各個單元發射電磁波的相位，將它們重新組合成一束波。這樣，就能控制電磁波的方向。

在相控陣雷達工作過程中，無需機械結構，只需要調整各個天線單元發出電磁波的相位，就能改變發射電磁波的方向，實現多個方向的掃描。同時，因為沒有機械結構存在，方向的變換可以非常快。甚至於給電磁波賦予特殊的形狀，能同時照射多個目標。而將這個過程反過來，對收集到的電磁波訊號進行分析，就能知道訊號來源的方向。

利用多個單元的干涉來獲取目標性質，其實在射電天文學中也有廣泛的應用。望遠鏡的角解析度與其口徑有關，而干涉可以放大望遠鏡的等效口徑。黑洞照片的拍攝就利用了這種技術，天文學家讓全球各地的射電望遠鏡同時對M87中心黑洞進行拍攝，將收集到的訊號組合起來後期處理，這個射電望遠鏡陣列的等效口徑甚至可以達到地球直徑級別。正是這種長基線干涉的技術，能讓人類能拍出黑洞照片。

當然，這種大規模的陣列使用起來具有諸多限制，相比之下，整合一體的相控陣要靈活得多。相控陣技術讓雷達探測得更遠、更快、更準。不過為了達到軍用目的，相控陣雷達必須以高功率發射和接收電磁波。如果削減相控陣雷達的各項指標、降低成本，相控陣技術也能以較為合理的價格進入我們的生活。實際上，這種昔日用於尖端軍火的先進科技，已經在悄無聲息間潛入了我們的生活。

潤物細無聲

說到天線，我們熟悉的形象應該是長長的一根線，或者是幾根垂直金屬線組成的架子。現在我們用手機看影片時，對資訊傳輸速率的要求日漸增高。如果你觀察過4G、5G基站，你會發現它們上面的天線早已不是印象中的樣子了。現在基站上的天線，多是一個長條形的方盒子，好幾個一起掛在高處，每個方盒子朝向不同的方向，這樣的天線正是採用了相控陣技術。

現在基站天線都是平板狀的

採用相控陣技術後，天線可以將有限的功率聚焦到某個特定的方向發射，這樣就能提高訊號強度，從而提高資訊傳輸速率。每個天線能覆蓋的範圍有限，所以需要不同方向的多個天線實現全項覆蓋。在5G技術標準中，甚至要求天線對發出的電磁波進行波束賦型，將電磁波分別聚焦給多個使用者，從而實現同時和多個使用者通訊，實現大規模MIMO（massive Multiple Input Multiple Output，大規模多進多出）。

其實，現在在售的面向普通消費者的產品中，已經有一部分用上了相控陣技術。SpaceX公司推出的星鏈專案，除了軌道上數不清的衛星，地面的接收電線也是系統的一部分。而星鏈給每個使用者配備的天線，外表看上去像一個衛星鍋，但其內部核心接收器件卻是一個相控陣天線。畢竟，星鏈衛星在太空中運動較快，為了保證接收訊號的強度，必須時刻調整天線接收方向。如果用傳統的機械結構調整方向，無疑會降低戶外天線的可靠度，長時間使用磨損對指向精度造成的影響也不容忽視。而如果使用相控陣天線，直接用電訊號控制天線的接收方向，就能避免這個問題。

從戰鬥機到自動駕駛

以上這些應用都是相控陣雷達削減了部分指標之後，才在生活中鋪開使用的。不過近些年隨著技術不斷的發展，相控陣雷達技術的價格也逐漸降低，相控陣雷達在日常生活中也逐漸成為了可能。其中最常見的應用就是自動駕駛，自動駕駛需要感知外界環境。除了對攝像頭拍攝到的畫面進行人工智慧分析之外，雷達直接獲得的距離資訊也是必不可少的。

毫米波雷達會發射毫米級別波長的電磁波，並接收反射的電磁波，從而獲得目標的距離資訊。現在汽車上搭載的毫米波雷達中，往往會安裝多個發射天線和多個接收天線，透過不同天線接收到毫米波的相位差確定跟蹤目標的方位。從運作原理上來說，這就是在戰鬥機、防空導彈、驅逐艦上搭載的相控陣雷達，只不過規格、價格都低了很多。

探測深度資訊時，效果最好的還是鐳射雷達。它可以發射並接收返回的鐳射，透過時間差直接生成環境點雲資料。換句話說，就是可以直接對觀測區域進行三維建模，其精度和可靠性都是現有探測器中的佼佼者。不過就和我們印象中的一樣，鐳射的路徑是一條筆直的線，想獲得各個方向的深度資訊，必須對鐳射進行轉向。傳統的轉向依靠機械結構，這也直接導致鐳射雷達的價格比不少小汽車的還要高。

現在，一些感測器企業已經開發出了廉價的固態鐳射雷達技術。固態鐳射雷達中沒有以往鐳射雷達所必需的機械元件，而改用光學相控陣，大幅降低了鐳射雷達的成本。這種從戰鬥機轉為民用的技術，有可能成為未來自動駕駛的關鍵。

很多時候，技術的發展其實並沒有轟轟烈烈，只是“隨風潛入夜，潤物細無聲”。高科技潛入生活給我們帶來便利的過程，一直被封印在黑箱中，我們無需瞭解它的原理。但哪怕只是將黑箱開啟些許，一窺其中究竟，就會感慨於人類技術的飛速發展。

（撰文：王昱 審校：吳非）

參考文獻/連結：

張光義.相控陣雷達的技術特點及關鍵技術[J].電子科技導報,1996(07):2-4+15.

Chen and Kang “A tutorial on 5G and the progress in China” (Front Inform Technol Electron Eng, 2018 19(3):309-321. https://doi.org/10.1631/FITEE.1800070)

https://en.wikipedia.org/wiki/Phased_array#

https://en.wikipedia.org/wiki/Self-driving_car#Technology

https://arxiv.org/abs/1901.04407v1