一文了解相控陣天線中的真時延

本文轉載自： Cadence楷登PCB及封裝資源中心

本文要點

真時延是寬頻帶相控陣天線的關鍵元素之一。

真時延通過在整個信號頻譜上應用可變相移來消除波束斜視現(xiàn)象。

在相控陣中使用時延單元或電路板，以提供波束控制和相移

市場越來越需要更快、更可靠的通信網絡，而寬帶通信系統(tǒng)正在努力滿足這一需求。帶寬越高，通信數(shù)據速率就越快。但是，在寬帶通信中，由于信號在寬頻譜上的分布，發(fā)射和接收信號都很困難。

天線技術已經得到廣泛調整，以解決首要的頻譜問題。相控陣天線是眾多解決方案之一，具有高效率、電子波束賦形、空間分集功能和高信噪比 (SNR) 等優(yōu)勢特點。

移相器用于引導相控陣天線中的波束，以提高窄帶通信系統(tǒng)的效率。“波束傾斜”的現(xiàn)象限制了寬頻帶相控陣天線的移相器性能。真時延可以在整個信號頻譜上應用可變相移，從而消除這種波束傾斜現(xiàn)象，使其成為寬頻帶相控陣天線的關鍵技術。

波束傾斜現(xiàn)象

波束傾斜指的是相控陣天線中的波束轉向角發(fā)生了一種隨頻率變化的變形。在相控陣天線中，所有陣列部件使用相同的相移，就會產生波束傾斜現(xiàn)象，即頻譜的低端和高端的相移差異會使波束從一端指向另一端。由真時延電路提供的可變相移可以減少波束傾斜，有助于實現(xiàn)高分辨率。

如何減少波束傾斜？

選擇性波束控制可以通過一組時延線來實現(xiàn)。將時延線從最短到最長排列，可以提供必要的轉向精細度和所需的波束轉向。通過仔細設置真時延，可以應用適當?shù)南嘁?，使之與相控陣天線的信號頻譜相匹配。

如果要求在一維陣列天線中對垂直的長方形波束進行方位轉向，可以在每一列子陣列之間放置真時延。在二維陣列天線中，也可以引入真時延。對于單一的轉向方案，可以在各個組件之間使用一個固定的時延線。光學版真時延方法也可用于可變相移。

真時延單位

在相控陣中使用真時延單元或電路板，以提供波束控制和相移。傳統(tǒng)的時延單元是具有量化延遲的交換式延遲線。當放置在陣列元件或子陣列的信號路徑中時，這些時延線引入了特定的時延。然而，切換后的真時延在參考單元和真時延單元之間產生了插入損耗，而且損耗隨著頻率的增加而增加。

真時延技術助力寬帶通信系統(tǒng)提供更快速的通信連接。

如今，真時延可以通過以下幾種方式實現(xiàn)：

1. 交換線路

2. 互補金屬氧化物半導體 (CMOS)

3. 微電子機械 (MEMS)

4. 砷化鎵 (GaA)

基于 MEMS、CMOS 和砷化鎵的真時延單元屬于 trombone 走線或有源分布式配置類時延。此外，市場上還有單片微波集成電路芯片 (MMIC)，可以引入特定的或編程的時延。

一般來說，時延單元是一個具有特殊功能的移相器，在子陣列層面上使用。它的基本功能是利用多路徑結構提供一個特定的時間延遲。與移相器相比，真正的延遲單元能夠提供多種相移波長，而且相移與頻率有關。這使得由時延單元形成的頻譜兩端的群延遲差在所需帶寬上是平坦的。這種群延遲的平坦化減少了波束傾斜，提高了帶寬。

用于寬帶相控陣天線的基于 CMOS 的真時延由真時延電路 (TTD)、數(shù)字步進式衰減器 (ATT) 電路、寬帶分布式增益放大器 (WDGA) 和一個串行外設接口（SPI）組成。人工傳輸線、單刀雙擲開關 (SPDT) 和雙刀雙擲開關 (DPDT) 用于衰減器和時間延遲塊。一個具有正增益的寬帶增益放大器對系統(tǒng)中的插入損耗進行補償?；?CMOS 的真時延單元設計緊湊，成本低，適合用于寬頻帶相控陣天線。

波束傾斜降低了寬帶通信頻譜的傳輸和接收效率，不利于建立更快的通信網絡。真時延可以通過提供可變相移來減少波束傾斜，是寬帶相控陣天線的一個關鍵因素。在相控陣天線中使用真時延單元引入精確的時間延遲，可以改善系統(tǒng)帶寬和波束控制，搭建更快的通信網絡。

審核編輯 黃宇