兩全其美：真正的時(shí)間延遲和移相器

本文回顧了兩種電子波束成形技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)：移相器（PS）和真時(shí)間延遲（TTD）。它認(rèn)為這兩種方法可以結(jié)合在混合波束成形架構(gòu)中，以提供更好的SWaP-C和相對(duì)不那么復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

介紹

電子掃描陣列（ESA）利用PS或TTD或兩者的混合，將求和的光束指向陣列轉(zhuǎn)向角限制內(nèi)的所需方向。用于錐形的可調(diào)衰減器也可以被視為波束成形元件。本文討論同一ESA中TTD和PS之間的分層方法在何處以及如何有助于緩解一些相控陣設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

利用基本公式探索可能的方案

瞬時(shí)帶寬 （IBW） 可以定義為無(wú)需調(diào)諧即可保持在系統(tǒng)要求設(shè)定的目標(biāo)性能標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的頻帶。

TTD 在頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出恒定的相位斜率;因此，使用 TTD 而不是 PS 實(shí)現(xiàn)的 ESA 沒(méi)有光束斜視效應(yīng)。因此，基于TTD的ESA對(duì)于高IBW應(yīng)用更方便。

PS在其工作頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出恒定的相位;因此，整個(gè)系統(tǒng)中的特定移相器設(shè)置會(huì)導(dǎo)致不同頻率的光束轉(zhuǎn)向角不同。因此，與基于 TTD 的陣列相比，基于 PS 的陣列的 IBW 往往更窄。

這種現(xiàn)象稱為光束斜視，可以使用公式1計(jì)算，其中Δθ是峰值斜角，θ0是最大光束角，f0是載波頻率，f是瞬時(shí)信號(hào)頻率。

使用公式1，我們可以計(jì)算出，對(duì)于±3 GHz和100 MHz IBW的3 GHz信號(hào)，在最壞情況下，即在低頻邊緣（載波在3 GHz和瞬時(shí)信號(hào)在2.9 GHz）的Δθ約為1.15°。將波束偏向角更改為 ±60°，將 IBW 更改為 200 MHz，在最壞的情況下會(huì)導(dǎo)致大約 8.11° 的波束斜視。很明顯，即使在雷達(dá)應(yīng)用中，TTD也是更好的選擇?？梢哉f(shuō)，移相器在ESA中的主導(dǎo)地位可以用以下事實(shí)來(lái)解釋：PS由于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性和相對(duì)于TTD的成本優(yōu)勢(shì)而具有更廣泛的市場(chǎng)可用性。

如果我們有一個(gè)滿足系統(tǒng)要求的TTD，那么在同一信號(hào)鏈中使用PS怎么可能合理？

為了進(jìn)行調(diào)查，將檢查一個(gè) 32 × 32 平方 ESA，天線元件之間具有 d = λ/2 晶格間距 （d），希望在 8 GHz 和 12 GHz 之間工作，掃描角為 ±60°，并假設(shè)所有場(chǎng)景都滿足 EIRP 標(biāo)準(zhǔn)（圖 4）。

在本例中，方位角和仰角的系統(tǒng)波束寬度在視線（θ = 0°）時(shí)?為3.17°，在最大掃描角度（θ = 60°）下為?6.35°，公式2中給出的均勻線性陣列的半功率波束寬度近似公式，其中N是一個(gè)軸上的單元數(shù)，θB是同一軸上的波束寬度（以度為單位）。

最大光束角分辨率θRES_MAX當(dāng)在每個(gè)天線元件后面使用 6 位 5.6° LSB PS 時(shí)，該陣列在一個(gè)維度上約為 ? 0.056°，公式 3 約為 0.056°。

通過(guò)用于時(shí)移轉(zhuǎn)換的公式4，大約需要1.3 ps LSB TTD來(lái)取代5.6° LSB PSs，使其在12 GHz時(shí)具有0.056°波束角分辨率。

即使在非常小的掃描角度下，波束寬度值也遠(yuǎn)大于光束角分辨率，并且將PS與TTD放在同一線上以補(bǔ)償光束角分辨率會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)額外的光束斜視和光束角分辨率下降。實(shí)際上，具有更精細(xì)TTD分辨率的原因是具有較低的量化旁瓣電平（QSLL），而不是具有更精細(xì)的光束角分辨率。隨著頻率的提高，設(shè)計(jì)具有所需時(shí)間分辨率以滿足目標(biāo)QSLL標(biāo)準(zhǔn)的TTD變得比設(shè)計(jì)具有所需相位分辨率的PS相對(duì)困難;因此，PS可以成為TTD的伴侶，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)QSLL，同時(shí)仍具有可接受的光束斜視水平

在同一ESA中實(shí)現(xiàn)PS和TTD的另一個(gè)原因可能是在設(shè)計(jì)具有交叉極化能力的系統(tǒng)時(shí)減輕光束斜視。交叉極化是通過(guò)在天線元件的 V 和 H 饋電之間設(shè)置 90° 相移產(chǎn)生的。確保在所需的交叉極化帶寬上饋電之間盡可能接近90°的差異對(duì)于獲得良好的交叉極化隔離以實(shí)現(xiàn)健康操作至關(guān)重要。由于在頻率范圍內(nèi)具有恒定的相位，因此基于 PS 的 ESA 具有寬帶交叉極化能力（圖 1），而基于 TTD 的 ESA 只能在單個(gè)頻率下在饋電之間具有 90°（圖 2）。圖3中的架構(gòu)可用于應(yīng)用交叉極化，同時(shí)緩解光束斜視。

圖1.非斜視寬帶交叉極化，在天線元件的 V 和 H 饋電后面使用移相器。

圖2.無(wú)斜視窄帶交叉極化，天線元件的 V 和 H 饋電后有真正的時(shí)間延遲。

圖3.天線元件 V 和 H 饋電后面的公共支腿和移相器具有真正的時(shí)間延遲，以優(yōu)化波束斜視，同時(shí)具有寬帶交叉極化能力。

TTD 覆蓋范圍由最大延遲 Δt 設(shè)定.MAX在整個(gè)陣列的最遠(yuǎn)元素之間以最低的工作頻率。根據(jù)公式5，圖4中的示例陣列約為2.45 ns。

當(dāng)人們考慮在每個(gè)天線元件后面使用 TTD 而不是不需要交叉極化時(shí)，需要考慮幾件事。這種覆蓋范圍意味著非常高的損耗，并且可能難以實(shí)現(xiàn)以適應(yīng)天線間距。在給定的覆蓋范圍下，具有6位相位PS的分辨率會(huì)帶來(lái)一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并且需要將許多延遲級(jí)放入TTD。

如果保持分辨率并降低覆蓋范圍以減輕這些缺點(diǎn)，那么當(dāng)超過(guò)覆蓋范圍時(shí)，必須回繞到零（通過(guò)公式4計(jì)算相位等效），但具有諷刺意味的是，光束斜視特征將丟失。

這種快速分析表明，即使不需要交叉極化，每個(gè)天線元件上的PS和子陣列公共支腿處的TTD也很有用。圖4中的TTD再次需要具有相同的覆蓋范圍，但與TTD相比，這一次在每個(gè)天線元件情況下的分辨率要求有所放松，因?yàn)楝F(xiàn)在它們用于對(duì)齊子陣列之間相對(duì)較大的時(shí)間延遲。

圖4.1024（32×32）元素?cái)?shù)組劃分為16個(gè)子數(shù)組，由8×8個(gè)元素組成。

將相控陣分解為子陣列分區(qū)可降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，但代價(jià)是更高的掃描損耗和更低的聲束控制分辨率。通過(guò)具有更寬的波束寬度，子陣列對(duì)光束斜視效應(yīng)的容忍度更高，因?yàn)樗鼈兙哂懈鼘挼牟ㄊ鴮挾?。很明顯，波束斜視和波束寬度目標(biāo)是考慮子陣列大小的重要指標(biāo)。

結(jié)論

寬帶無(wú)斜視操作需要每個(gè)天線元件后面的真實(shí)時(shí)間延遲，寬帶交叉極化操作需要每個(gè)天線元件的每個(gè) V 和 H 饋電后面的移相器。

如果不需要交叉極化并且針對(duì)完全無(wú)斜視操作，則應(yīng)遵循基于TTD的設(shè)計(jì)。隨著頻率的增加，添加PS可能有助于實(shí)現(xiàn)QSLL目標(biāo)，以換取妥協(xié)的無(wú)斜視操作。

如果需要交叉極化，則天線的每個(gè)極化饋電后應(yīng)遵循單獨(dú)但相同的 PS，其工作帶寬上方的 90° 差很小。在PS的共同腿上添加TTD可能有助于減輕光束斜視。

無(wú)論是否需要交叉極化，在天線元件后面安裝PS的子陣列架構(gòu)，然后在子陣列的公共支腿處安裝TTD，都可能是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。請(qǐng)注意，TTD功能可以在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)，所有數(shù)字設(shè)計(jì)都可以消除TTD和PS，但代價(jià)是更高的系統(tǒng)成本。

審核編輯：郭婷