全數(shù)字波束形成芯片的特性和應(yīng)用場景

隨著邁入對高頻譜效率要求很高的大容量無線接入系統(tǒng)的時代，天線陣列正發(fā)揮著越來越重要的作用。MIMO天線陣列已經(jīng)成為蜂窩和無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的組成部分。這些有源天線陣列在下一代高通量衛(wèi)星（HTS）通信中也將發(fā)揮同樣重要的作用。

此外，OneWeb、Telesat、SES和SpaceX等公司的大型低地球軌道（LEO）和中地球軌道（MEO）衛(wèi)星星座將需要可跟蹤多顆衛(wèi)星的地面終端天線，這些趨勢正在推動從具有靜態(tài)固定波束模式的無源天線向全方向可調(diào)的有源智能天線轉(zhuǎn)變。

本文討論了數(shù)字波束成形(DBF)在容量、控制和靈活性方面的優(yōu)勢，并描述一個采用真時延（TTD）實(shí)現(xiàn)DBF的商用ASIC，它是DBF與集成射頻前端（RFFE）相結(jié)合，使得模塊化的電掃多波束陣列（ESMA）天線系統(tǒng)適用于更廣泛的應(yīng)用場景。

對于均勻線性陣列，以角度θ入射的波前在不同陣元上產(chǎn)生延遲（τ…Nτ），這種延遲導(dǎo)致天線陣列的波束會隨頻率而變化。為了在所需的頻率范圍內(nèi)具有平坦的波束，天線的相干帶寬應(yīng)大于信號的帶寬，這意味著Nτ<

這個條件要求系統(tǒng)具有進(jìn)行延遲補(bǔ)償以相干地疊加信號。下圖顯示了由于陣列的頻率選擇性而產(chǎn)生的波束偏移，這在真時延（TTD）波束形成中不會發(fā)生。關(guān)系式Nτ<

SatixFy開發(fā)的TTD DBF見下圖。Prime ASIC具有模塊化和靈活的架構(gòu)，支持實(shí)時重新配置、在線校準(zhǔn)和構(gòu)建大型天線的可擴(kuò)展性。Prime在每個天線陣元上都使用高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）對信號進(jìn)行數(shù)字化，處理數(shù)據(jù)速率超過2Tbps。

Prime通過高帶寬的I/Q接口連接到包含射頻收發(fā)器的RFFEs。在每個DBF中，ADCs和DACs都連接到高分辨率的數(shù)字相移器和數(shù)字延遲電路，這些電路實(shí)現(xiàn)了TTD，以避免波束偏移，從而實(shí)現(xiàn)寬帶信號的發(fā)送和接收。DBF芯片通過一個高速數(shù)字串行總線（SERDES）互相連接，實(shí)現(xiàn)了高度集成、可控和可擴(kuò)展的天線系統(tǒng)。

Prime DBF的關(guān)鍵特性包括：

? 超過1 GHz的瞬時信號帶寬。

? 多波束能力：最多可達(dá)32個波束，每個波束都有獨(dú)立的相位、增益和延遲控制。

? 每個波束形成器鏈路的均衡/預(yù)均衡和數(shù)字預(yù)失真。

? 2 GHz模擬基帶接口。

? 與SatixFy的Sx3000調(diào)制解調(diào)器通過SERDES接口緊密集成。

? 支持帶有L波段接口的外部調(diào)制解調(diào)器。

? 非常高速的波束跟蹤和波束轉(zhuǎn)向。

? 線性和圓極化控制。

? 內(nèi)部同步引擎的自我校準(zhǔn)。

? 天線控制與Sx3000調(diào)制解調(diào)器集成。

? 為應(yīng)用量身定做的省電模式和配置。

靈活的ESMA架構(gòu)使得具有低重量和低功耗、低成本、自適應(yīng)的天線系統(tǒng)成為可能，使得該系統(tǒng)對于各種應(yīng)用都具有很強(qiáng)的吸引力：

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)

在農(nóng)村地區(qū)，衛(wèi)星可以提供盲區(qū)覆蓋，將傳感器和其他實(shí)體連接到云端，如用于農(nóng)業(yè)、天氣、石油和天然氣測量的傳感器。ESMA使得可以自動搜索、獲取和跟蹤衛(wèi)星的緊湊型、低成本和低功耗的物聯(lián)網(wǎng)天線成為可能。ESMA消除了笨重的機(jī)械結(jié)構(gòu)，大大降低了安裝成本，并使得在車輛、船舶、飛機(jī)和無人機(jī)上的移動應(yīng)用成為可能。使用適當(dāng)?shù)牟ㄐ危梢允沟眯√炀€尺寸在非常低的信噪比下進(jìn)行通信成為可能。

寬帶通信，適用于陸、海和航空應(yīng)用

高容量的GEO網(wǎng)絡(luò)和新的LEO和MEO衛(wèi)星群將有助于滿足對寬帶接入的需求，無論是在偏遠(yuǎn)地區(qū)的固定終端還是SOTM應(yīng)用。在過去的十年里，商業(yè)航空公司對寬帶連通性和機(jī)上娛樂的需求表明了對低阻力和高可靠性天線系統(tǒng)的需求，這使得基于ESMA的共形天線成為一個好的解決方案。

同時的多波束能力使得與多顆衛(wèi)星的同時連通以及在切換高速LEO衛(wèi)星的波束時保證無縫連通成為可能。這些同樣的優(yōu)點(diǎn)也延伸到了陸地移動和海洋應(yīng)用，其中基于ESMA的SATCOM鏈接可以與陸地廣域通信共存。ESMA可以根據(jù)所需的鏈路預(yù)算、物理尺寸、重量和功耗約束進(jìn)行縮放。

5G應(yīng)用

與4G相比，5G數(shù)據(jù)速率的躍升依賴于具有多個寬帶、定向波束的智能天線。ESMA的波束形成能力可以將頻譜利用率提高兩個數(shù)量級。DBF中的高精度相移器和TTD使其適用于毫米波和sub-6 GHz陣列。

ESMA的靈活性使得可以動態(tài)地重新配置波束，并結(jié)合1D和2D雙極化掃描，適用于視線和非視線通道條件。通過TTD波束形成，可以在整個蜂窩頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)高增益和無偏移的天線模式。