相控陣傳輸最初由諾貝爾獎獲得者卡爾·布勞恩于1905年展示,，他展示了無線電波在一個方向上的加速傳輸。在二戰(zhàn)期間,，諾貝爾獎獲得者路易斯·阿爾瓦雷茨在快速可操縱雷達(dá)系統(tǒng)中使用相控陣傳輸進(jìn)行“接近地面控制”,，幫助飛機(jī)著陸的系統(tǒng)。與此同時,，德國的GEMA建造了Mammut 1,。它后來被用于射電天文學(xué)，在劍橋大學(xué)開發(fā)了幾款大型相控陣之后,，安東尼·休什和馬丁·里爾獲得了諾貝爾物理學(xué)獎,。這種設(shè)計(jì)也用于雷達(dá)，并在干涉無線電天線中得到推廣,。

（1905年所展示的定向天線采用了相控陣原理,，由3個單極天線組成一個等邊三角形。一根天線饋線中的四分之一波延遲導(dǎo)致陣列在波束中輻射,。延遲可以手動切換到3個饋源中的任何一個,，將天線波束旋轉(zhuǎn)120°。）

在天線理論中,，相控陣通常是指一個電子掃描陣列,，一個由計(jì)算機(jī)控制的天線陣列，它產(chǎn)生一束無線電波,，可以通過電子控制指向不同的方向,，而無需移動天線。

在簡單陣列天線中,，來自發(fā)射機(jī)的射頻電流以正確的相位關(guān)系饋送到各個天線,，使得來自各個天線的無線電波相加以增加期望方向上的輻射，而相消以抑制不期望方向上的輻射,。在相控陣天線中,，來自發(fā)射機(jī)的功率通過一種稱為移相器的裝置饋送到天線，移相器由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制,，可以通過電子方式改變相位,，從而將無線電波的波束轉(zhuǎn)向不同的方向。由于相控陣必須由許多小型天線（有時數(shù)千個）組成,，才能獲得高增益,，因此相控陣主要適用于無線電頻譜的高頻端、UHF和微波波段,，其中天線單元非常小,。

單個天線輻射的信號之間的相對振幅以及建設(shè)性和破壞性干擾效應(yīng)決定了陣列的有效輻射方向圖。相控陣可用于指向固定的輻射方向圖，或在方位角或仰角上快速掃描,。1957年,，加州休斯飛機(jī)公司的相控陣天線首次演示了方位角和仰角同時進(jìn)行的電掃描。

動態(tài)相控陣的每個陣列單元包含一個可調(diào)移相器,，該移相器共同作用于相對于陣列面移動的波束,。動態(tài)相控陣不需要物理運(yùn)動來對準(zhǔn)波束。光束以電子方式移動,。這可以產(chǎn)生足夠快的天線運(yùn)動,，使用一個小的鉛筆波束同時跟蹤多個目標(biāo)，同時只使用一個雷達(dá)集（搜索時跟蹤）搜索新目標(biāo),。

例如,，具有2度波束且脈沖率為1 kHz的天線將需要大約8秒來覆蓋由8000個指向位置組成的整個半球。這種配置提供了12個機(jī)會來檢測100公里范圍內(nèi)的1000米/秒的車輛,，這能滿足軍事應(yīng)用的需求,。

可以預(yù)測機(jī)械操縱天線的位置,，這可以用來創(chuàng)建干擾雷達(dá)工作的電子對抗措施,。相控陣操作帶來的靈活性允許波束對準(zhǔn)隨機(jī)位置，從而消除了此漏洞,。這對于軍事應(yīng)用也是可取的,。

而半主動雷達(dá)尋的導(dǎo)引使用單脈沖雷達(dá)，依靠固定相控陣產(chǎn)生多個相鄰波束,，測量角度誤差,。這種外形適合于導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的萬向節(jié)安裝。比如美軍的SPS-48雷達(dá)使用多個發(fā)射頻率,，沿陣列左側(cè)有一條蛇形延遲線,，以產(chǎn)生疊加波束的垂直扇形。當(dāng)每個頻率沿著蛇形延遲線傳播時,，會經(jīng)歷不同的相移,，從而形成不同的波束。濾波器組用于分離各個接收波束,。天線以機(jī)械方式旋轉(zhuǎn),。

（SPS-48雷達(dá)）

相控陣也在較小程度上用于非定向陣列天線，其中饋電功率的相位和天線陣列的輻射方向圖是固定的,。例如,，由多個桅桿輻射器組成的AM廣播無線電天線饋電以產(chǎn)生特定的輻射方向圖也被稱為相控陣。

（圖一為顯示相控陣工作原理的動畫,。它由一個由發(fā)射機(jī)（TX）供電的天線單元陣列（A）組成,。每個天線的饋電電流通過由計(jì)算機(jī)（C）控制的移相器（φ）。移動的紅線顯示了每個元素發(fā)射的無線電波的波前。單個波前是球形的,，但它們在天線前面結(jié)合（疊加）形成一個平面波,，一束無線電波朝著特定的方向傳播。移相器延遲無線電波逐漸向上移動,，這樣每個天線發(fā)射的波前都比下面的要晚,。這使得產(chǎn)生的平面波指向與天線軸成θ角的方向。通過改變相移,，計(jì)算機(jī)可以立即改變光束的角度θ,。大多數(shù)相控陣天線都是二維天線陣列，而不是這里所示的線性陣列,，波束可以在二維方向上進(jìn)行控制,，讓無線電波的速度大大減慢了。）

相控陣有多種形式,。然而,，四種最常見的是無源相控陣、有源電子掃描陣列,、混合波束形成相控陣和數(shù)字波束形成陣列,。

無源相控陣或無源電子掃描陣列其天線元件連接到單個發(fā)射器和/或接收器，如圖以的動畫所示,。PESA是最常見的相控陣類型,。一般來說，無源相控陣使用一個接收器/激勵器來處理整個陣列,。

無源相控陣通常使用大型放大器,，為天線產(chǎn)生所有的微波發(fā)射信號。移相器通常由磁場,、電壓梯度或等效技術(shù)控制的波導(dǎo)元件組成,。無源相控陣使用的相移過程通常將接收波束和發(fā)射波束置于對角的象限中。相移符號必須在發(fā)射脈沖結(jié)束后和接收周期開始前反轉(zhuǎn),，以便將接收波束置于與發(fā)射波束相同的位置,。這就需要相位脈沖來降低多普勒雷達(dá)和脈沖多普勒雷達(dá)的子雜波可見度性能。釔鐵石榴石移相器必須改變后,，發(fā)射脈沖淬火和接收器處理前開始對齊發(fā)射和接收光束,。這種脈沖會引入調(diào)頻噪聲，從而降低雜波性能,。無源相控陣設(shè)計(jì)用于宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)的波達(dá)方向估計(jì),。

有源相控陣或有源電子掃描陣列，其每個天線單元都有一個模擬發(fā)射器/接收器（T/R）模塊,，該模塊產(chǎn)生電子引導(dǎo)天線波束所需的相移,。有源陣列是一種更先進(jìn)的第二代相控陣技術(shù)，用于軍事應(yīng)用。與無源相控陣不同,，它們可以同時向不同方向發(fā)射多個頻率的無線電波束,。但是波束的數(shù)量同時受到波束形成器電子封裝的實(shí)際原因的限制，一個有源相控陣大約有三個同時波束,。每個波束形成器都有一個與之相連的接收器/激勵器,。

（美國在阿拉斯加部署有源相控陣彈道導(dǎo)彈探測雷達(dá)。它于1979年完工,，是首批有源相控陣?yán)走_(dá)之一,。）

混合波束形成相控陣可以看作是AESA和數(shù)字波束形成相控陣的組合。它使用有源相控陣子陣列（例如,，子陣列可以是64,、128或256個單元，單元的數(shù)量取決于系統(tǒng)要求）,。子陣列組合在一起形成完整的陣列,。每個子陣列都有自己的數(shù)字接收器/激勵器。這種方法允許同時創(chuàng)建束簇,。

數(shù)字波束形成相控陣在陣列中的每個單元上都有一個數(shù)字接收器/激勵器,。每個元件上的信號由接收器/激勵器數(shù)字化。這意味著可以在現(xiàn)場可編程門陣列或陣列計(jì)算機(jī)中以數(shù)字方式形成天線波束,。這種方法允許同時形成多個天線波束,。

相控陣的一種可能的存在方式稱為共形天線,。其單個天線不是布置在平面上,，而是安裝在曲面上。移相器補(bǔ)償由于天線元件在表面上的不同位置而導(dǎo)致的波的不同路徑長度,，從而允許陣列輻射平面波,。共形天線用于飛機(jī)和導(dǎo)彈中，將天線集成到飛機(jī)的曲面中以減小氣動阻力,。

（當(dāng)相鄰天線之間的相位差在?120和120度之間掃掠時,，顯示由15個天線單元組成的相隔四分之一波長的相控陣輻射方向圖的動畫。暗區(qū)是光束或主瓣,，而圍繞它展開的光線是副瓣,。）

相控陣技術(shù)也應(yīng)用于民用領(lǐng)域。在廣播過程中,，許多調(diào)幅廣播電臺都使用相控陣來增強(qiáng)信號強(qiáng)度,，從而提高覆蓋范圍，同時盡量減少對其他非廣播地區(qū)的信號干擾,。由于白天和夜間電離層傳播在中波頻率上的差異,，調(diào)幅廣播電臺通常在日出和日落時通過切換提供給各個天線單元（桅桿輻射器）的相位和功率水平來改變白天（地波）和夜間（天波）的輻射模式。對于短波廣播，許多電臺使用水平偶極子陣列,。一種常見的排列方式是在4×4陣列中使用16個偶極子,。通常這是在一個鐵絲網(wǎng)反射器前面。相位調(diào)整通常是可切換的,，以允許在方位角和有時在仰角進(jìn)行波束控制,。

無線電發(fā)燒友可使用較普通的相控陣長線天線系統(tǒng)，從很遠(yuǎn)的距離接收長波,、中波和短波無線電廣播,。

在更高頻上，相控陣廣泛用于調(diào)頻廣播,。這大大增加了天線傳輸?shù)男Ч?，放大了發(fā)射到地平線的射頻能量，從而大大增加了電臺的廣播范圍,。在這些情況下,，到發(fā)射器的每個元件的距離是相同的，或者是一個（或其他整數(shù)）波長間隔,。對陣列進(jìn)行相位調(diào)整,，使較低的單元稍微延遲（通過延長到它們的距離）會導(dǎo)致波束向下傾斜，如果天線在無線電塔上相當(dāng)高,，這是非常有用的,。

其他相位調(diào)整可以在不傾斜主瓣的情況下增加遠(yuǎn)場中的向下輻射，產(chǎn)生零填充以補(bǔ)償極高的山頂位置,，或者在近場中減少輻射,，以防止這些工人或甚至附近的地面房主受到過度照射。后一種效果也是通過半波間距來實(shí)現(xiàn)的,，即在具有全波間距的現(xiàn)有元件中間插入額外元件,。這種相位調(diào)整可獲得與全波間隔大致相同的水平增加；也就是說,，五單元全波間隔陣列等于九單元或十單元半波間隔陣列,。

許多海軍的軍艦也使用相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。由于波束可以快速轉(zhuǎn)向,，相控陣?yán)走_(dá)允許軍艦使用一個雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行表面探測和跟蹤（尋找船只）,、空中探測和跟蹤（尋找飛機(jī)和導(dǎo)彈）以及導(dǎo)彈上行鏈路能力。在使用這些系統(tǒng)之前,，飛行中的每一枚地對空導(dǎo)彈都需要一個專用的火控雷達(dá),，這意味著雷達(dá)制導(dǎo)武器只能同時打擊少量目標(biāo)。在導(dǎo)彈飛行的中段階段,，相控陣系統(tǒng)可以用來控制導(dǎo)彈,。在飛行的終端部分,，連續(xù)波火控指揮員向目標(biāo)提供最終制導(dǎo)。由于天線方向圖是電子控制的,，相控陣系統(tǒng)可以以足夠快的速度引導(dǎo)雷達(dá)波束,，從而在同時控制多個飛行中導(dǎo)彈的同時，保持對多個目標(biāo)的火控質(zhì)量跟蹤,。

（安裝在德國海軍薩克森級護(hù)衛(wèi)艦F220漢堡號上層建筑上的有源相控陣?yán)走_(dá)）

AN/SPY-1相控陣?yán)走_(dá)是部署在現(xiàn)代美國巡洋艦和驅(qū)逐艦上的宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)的一部分,，能夠同時執(zhí)行搜索、跟蹤和導(dǎo)彈制導(dǎo)功能,，具有超過100個目標(biāo)的能力,。同樣，在法國和新加坡服役的泰雷茲-赫拉克勒斯相控陣多功能雷達(dá)也有一個獨(dú)特的優(yōu)勢,，其跟蹤能力為200個目標(biāo),，能夠在一次掃描中實(shí)現(xiàn)自動目標(biāo)檢測、確認(rèn)和跟蹤啟動,，同時為從艦上發(fā)射的MBDA Aster導(dǎo)彈提供中段制導(dǎo)更新,。德國海軍和荷蘭皇家海軍開發(fā)了有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。MIM-104愛國者和其他地面防空系統(tǒng)使用相控陣?yán)走_(dá)也有類似的好處,。

信使號飛船是一個前往水星的空間探測器任務(wù),。它是首次使用相控陣天線進(jìn)行通信的深空任務(wù)。輻射單元是圓極化的開縫波導(dǎo),。這種天線使用X波段,，使用了26個輻射單元。

自2003年4月23日以來,，美國國家嚴(yán)重風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室一直在使用美國海軍提供的SPY-1A相控陣?yán)走_(dá),，在俄克拉荷馬州諾曼的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行天氣研究。希望這項(xiàng)研究能使人們更好地了解雷暴和龍卷風(fēng),，以增加對惡劣天氣的預(yù)警,。該項(xiàng)目包括研究和開發(fā),，未來的技術(shù)轉(zhuǎn)讓和潛在的部署系統(tǒng)在整個美國,。預(yù)計(jì)需要10到15年才能完成，初步建設(shè)約2500萬美元,。而日本理工高等計(jì)算科學(xué)研究所的一個團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始了使用相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行即時天氣預(yù)報(bào)新算法的實(shí)驗(yàn)工作,。

（俄克拉荷馬州諾曼國家嚴(yán)重風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室的AN/SPY-1A雷達(dá)裝置。封閉的天線罩提供天氣保護(hù),。）

在電磁波的可見或紅外光譜范圍內(nèi),，可以構(gòu)造光學(xué)相控陣。它們用于波長復(fù)用器和濾波器,，用于通信目的,，激光束控制和全息照相,。合成陣列外差探測是一種將整個相控陣復(fù)用到單元件光電探測器上的有效方法。光學(xué)相控陣發(fā)射器中的動態(tài)波束形成可用于電子光柵或矢量掃描圖像,，而無需使用透鏡或無透鏡投影儀中的機(jī)械運(yùn)動部件,。光學(xué)相控陣接收器已被證明能夠通過選擇性地觀察不同的方向來充當(dāng)無透鏡相機(jī)。

相控陣裝置也被應(yīng)用于衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)收發(fā)機(jī),。星鏈?zhǔn)且粋€低地球軌道衛(wèi)星群計(jì)劃,，從2020年開始建設(shè)。它旨在為消費(fèi)者提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接,，系統(tǒng)的用戶終端將使用相控陣天線,。到2014年，相控陣天線已經(jīng)被集成到射頻識別系統(tǒng)中,，使單個系統(tǒng)的覆蓋面積增加100%,，達(dá)到76200平方米。因此星鏈計(jì)劃并不是異想天開,，只要各國允許其在太空外建設(shè)和不計(jì)成本,，該項(xiàng)計(jì)劃是可以實(shí)現(xiàn)的。

2008年,，東京大學(xué)Shinoda實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種稱為機(jī)載超聲觸覺顯示器的聲學(xué)換能器相控陣,，用于誘導(dǎo)觸覺反饋。該系統(tǒng)被證明能夠使用戶交互操作虛擬全息物體,。

相控陣?yán)走_(dá)最近被用于作為射電望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn),，以提供許多光束，使射電望遠(yuǎn)鏡具有非常廣闊的視野,。比如澳大利亞的ASKAP望遠(yuǎn)鏡和荷蘭的Apertif升級為Westerbork合成射電望遠(yuǎn)鏡,。

總之相控陣技術(shù)多被用于軍事雷達(dá)系統(tǒng)，用來引導(dǎo)無線電波束快速穿越天空,，探測飛機(jī)和導(dǎo)彈,。這些系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用，并已推廣到民用領(lǐng)域,。相控陣原理也應(yīng)用于聲學(xué),，聲學(xué)換能器的相控陣應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲成像掃描儀（相控陣超聲）、油氣勘探（反射地震學(xué)）和軍用聲納系統(tǒng),，真正實(shí)現(xiàn)了由軍用轉(zhuǎn)向民用的廣闊前景,，先進(jìn)技術(shù)有時并不只用于殺戮，運(yùn)用好了也能造福人類,。