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在相控阵天线系统中，移相器负责调整信号相位以实现波束指向，而衰减器则掌控着每个天线阵元的能量分配。在前面的文章中，我们分析了一维和二维相控阵天线中移相器相位的计算，并给出了在已知天线波束指向角（方位角、离轴角）的情况下，如何计算每个通道移相器的相位。
今天我们将从系统组成、工作原理、功能、参数计算、工程案例等多个方面，详细探讨相控阵天线中衰减器在波束成形中的作用。
文章主要分为以下几个部分：
- 相控阵天线中波束成形芯片的内部组成，指出衰减器在芯片中的位置和作用
- 一维和二维相控阵天线波束成形芯片中衰减值的计算方法和公式
- 衰减值和波束指向角度有关系吗？
- 用一个波束成形芯片的例子说明衰减值的计算步骤
## 1. 相控阵天线波束成形芯片的内部组成
我们以相控阵天线波束成形芯片（接收通道为例），说明芯片的内部组成。
接收波束成形芯片以**LNA**提供高灵敏度接收，以**数控移相器**实现波束电子扫描，以**数控衰减器**实现幅度加权与旁瓣抑制，通过**SPI 接口**完成幅相配置，最终实现相控阵天线的定向、低旁瓣、高灵敏度接收。接收通道的典型结构如下：
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#### 收发切换开关（T/R Switch）
- 用于接收/发射通道切换（收发一体，采用收发半双工方式工作时）。
- 纯接收芯片中用于**通道使能、旁路测试、信号选通**。
- 提供通道间隔离，保证各阵元独立工作。
#### 低噪声放大器（LNA）
- 芯片**最核心的放大单元**，决定整机**噪声系数、接收灵敏度**。
- 在引入尽可能小噪声的前提下，对天线微弱信号进行放大。
- 补偿前级无源损耗，提升系统**G/T**值。
- 部分低成本或宽频带芯片可能不集成LNA，需外接LNA以实现低噪声接收。
#### 数控移相器（Digital Phase Shifter）
- **相控阵电子扫描核心**。
- 通过数字指令精确调整信号的相位偏移，让所有阵元辐射的电磁波在**目标指向方向**上同相叠加，形成最强主瓣。
- 从而达到改变波束指向（方位角、俯仰/离轴角）的目的。
- 不同波束指向角度 → 不同的相位偏移码 → 不同的移相码 → 波束指向不同方向。
#### 数控衰减器（Digital Variable Attenuator）
- 给每个通道进行**幅度控制与旁瓣抑制**。
- 实现通道幅度加权（汉宁窗、泰勒窗等），压低天线旁瓣。
- 可用于通道幅相误差校准、可用于补偿通道间增益不一致性。
> 很多人有一个误区：只要移相器的相位偏移调对了，波束指向就没问题了。但实际上，如果每个通道的幅度相同（即衰减值相同），对应的相控阵天线是等幅功率分配的阵列，这个情况下，天线的旁瓣电平普遍在-13 dB甚至更大，满足不了卫星通信、雷达等场景的低旁瓣要求（通常要求-25 dB以上）。
**所以，衰减器虽然不能改变天线波束的指向，但是可以通过“压低边缘阵元的功率”，简单来说，就是中心处的天线阵元对应的幅度大（衰减小），边缘阵元对应的幅度小（衰减大），通过幅度加权（如窗函数），使中心阵元贡献大、边缘阵元贡献小，从而在保持主瓣宽度基本不变的前提下，显著压低旁瓣电平。**
> 这就是衰减器的作用。
#### 驱动放大器 / 增益补偿级
- 补偿移相器、衰减器带来的**插入损耗**。
- 保证通道净增益稳定，提升输出功率与驱动能力。
- 改善通道间增益一致性。
#### 射频输出
- 将调理好幅度、相位的通道信号输出，送往**合路网络**，形成最终接收波束。
#### SPI 配置接口
- 芯片与外部 MCU / 基带 的**通信口**。
- 用于写入：移相码、衰减码、通道开关、工作模式。
## 2. 衰减值计算
### 2.1 等幅度波束
最简单的方式是等幅度加权，所有阵元的增益都相同，所有波束成形芯片中衰减器都是直通的，衰减值等于0，只调整移相器的相位偏移。
A_m = 1, A_ttm = 0 dB
### 2.2 幅度加权
我们先给出结论：相控阵通道衰减值完全由窗函数的归一化权重决定，目标旁瓣越低，边缘阵元的衰减量越大。根据不同的旁瓣要求，有三种不同的衰减策略。
**三种典型方案的衰减策略**
| 方案类型 | 旁瓣电平 | 窗函数选择 | 适用场景 |
| :--- | :--- | :--- | :--- |
| 最大增益 | -13 dB 或者更大 | 矩形窗（等幅） | 对旁瓣无要求的低成本场景 |
| 低旁瓣 | -30 dB 左右 | 汉宁窗 | 卫星通信、常规雷达 |
| 极低旁瓣 | 可按目标旁瓣（如 -25/-30/-40 dB）设定 | 切比雪夫窗，泰勒窗 | 精密雷达、电子对抗 |
### 2.3 衰减值核心计算公式
#### （1）一维相控阵衰减公式
对于N元线性阵列，第i个阵元的衰减值为：
A_i = -20 log10 (w_i / w_max)
参数定义：
- A_i：第i个阵元的衰减值，单位dB；
- w_i：第i个阵元的窗函数权重（归一化后）；
- w_max：阵列中最大的窗函数权重，用于归一化。
#### （2）二维相控阵衰减公式
对于M×N面阵，第(i,j)个阵元的衰减值为行窗与列窗权重的联合转换：
A_ij = -20 log10 ( (w_row,i × w_col,j) / w_max )
参数定义：
- w_row,i：第i行的一维窗函数权重；
- w_col,j：第j列的一维窗函数权重；
- w_max：面阵中最大的权重乘积，用于归一化。
> 后续我们将通过实际案例计算的一维、二维相控阵天线波束成形中的衰减值。
### 总结
本文详细介绍了相控阵天线波束成形芯片中衰减器的作用及其计算方法。通过对比传统等幅加权和幅度加权方案，我们发现衰减器通过幅度加权可以显著压低旁瓣电平，从而提高系统的性能。
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