數(shù)字波束成形相控陣技術(shù)在軍事和商業(yè)方面的應(yīng)用

近年來(lái)，數(shù)字波束成形相控陣技術(shù)大量涌現(xiàn)。該技術(shù)已經(jīng)被軍事和商業(yè)應(yīng)用所產(chǎn)生，以及組件級(jí)RF集成的快速發(fā)展。

盡管有大量關(guān)于大規(guī)模MIMO和汽車?yán)走_(dá)的討論，但不應(yīng)該忘記大多數(shù)最近的雷達(dá)開(kāi)發(fā)和波束形成R＆amp; D已經(jīng)在國(guó)防工業(yè)中，現(xiàn)在它正在適應(yīng)商業(yè)應(yīng)用。雖然相位陣列和波束成形從21世紀(jì)初的研發(fā)工作轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，但現(xiàn)在預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)新一波防御聚焦陣列，工業(yè)技術(shù)提供的解決方案往往成本過(guò)高。

通用波束成形相控陣信號(hào)流程如圖2所示。根據(jù)孔徑大小，功率和天線方向圖要求，在系統(tǒng)架構(gòu)師級(jí)別選擇元件數(shù)量。前端模塊位于每個(gè)天線元件后面。

模擬波束成形層位于前端模塊后面。在經(jīng)典相位陣列中，模擬波束形成子系統(tǒng)將所有元素組合到集中接收器通道。每個(gè)元件數(shù)字波束形成相控陣在每個(gè)前端模塊后面都有波形發(fā)生器和接收器，并且模擬波束形成層被消除。在當(dāng)今的許多系統(tǒng)中，某種程度的模擬波束形成是常見(jiàn)的。波形發(fā)生器和接收器通道用于將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工作頻帶RF頻率。通過(guò)首先均衡通道，然后將相移和幅度權(quán)重應(yīng)用于ADC數(shù)據(jù)，然后對(duì)陣列上的ADC數(shù)據(jù)求和，來(lái)完成數(shù)字波束成形。許多光束可以同時(shí)形成，僅受數(shù)字處理能力的限制。

ADI公司為波束成形系統(tǒng)的每個(gè)部分提供解決方案，包括模擬和數(shù)字波束成形架構(gòu)。

模擬與數(shù)字波束成形的挑戰(zhàn)

數(shù)字波束成形相控陣的目標(biāo)是為一組接收機(jī)數(shù)據(jù)同時(shí)生成許多天線模式。圖3顯示了天線模式一個(gè)元素，一個(gè)子陣列中的組合元素，以及天線級(jí)別的波束形成數(shù)據(jù)。

子陣列方法的主要障礙是波束形成數(shù)據(jù)必須在子陣列的模式內(nèi)。使用單個(gè)子陣列，不能以廣泛不同的角度生成同時(shí)的圖案。希望消除模擬波束形成器并產(chǎn)生非線性元件數(shù)字波束形成系統(tǒng)，并且利用當(dāng)今的技術(shù)，現(xiàn)在可以在L波段和S波段使用。在更高的頻率，尺寸和功率限制通常需要一定程度的模擬波束形成。然而，任務(wù)仍然接近元素?cái)?shù)字波束形成，這對(duì)波形發(fā)生器和接收器提出了很高的要求。

雖然波束形成挑戰(zhàn)提出了要求在波形發(fā)生器和接收器上減小尺寸和功率，同時(shí)需要增加大多數(shù)系統(tǒng)應(yīng)用的帶寬。這些目標(biāo)相互對(duì)立，因?yàn)樵黾拥膸捦ǔＰ枰~外的電流和額外的電路復(fù)雜性。

數(shù)字波束成形依賴于分布式波形發(fā)生器和接收器通道的相干相加。這對(duì)許多信道的同步和噪聲貢獻(xiàn)的系統(tǒng)分配都提出了額外的挑戰(zhàn)。

RF信號(hào)鏈

表1顯示了目前正在使用的一些最常見(jiàn)的接收器架構(gòu)。超外差，直接采樣和直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)成了大多數(shù)RF系統(tǒng)的基礎(chǔ)。雖然只顯示了接收者，但拓?fù)湟策m用于波形生成器信號(hào)鏈

超外差方法已經(jīng)存在了近百年，經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證并提供了卓越的性能。不幸的是，它也是最復(fù)雜的。它通常需要相對(duì)于可用帶寬的最大功率和最大物理占用空間，并且頻率規(guī)劃可以在大分?jǐn)?shù)帶寬上非常具有挑戰(zhàn)性。

長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋求直接采樣方法，以與直接RF采樣相當(dāng)?shù)乃俣冗\(yùn)行轉(zhuǎn)換器并實(shí)現(xiàn)大輸入帶寬的障礙。

今天，轉(zhuǎn)換器可用于L波段和S波段的更高奈奎斯特頻段的直接采樣。此外，C波段采樣很快就會(huì)取得進(jìn)展，并且隨后將進(jìn)行X波段采樣。

直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)可最有效地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器帶寬。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器工作在第一個(gè)奈奎斯特，性能最佳，低通濾波更容易。 twodata轉(zhuǎn)換器一起對(duì)I / Q信號(hào)進(jìn)行采樣，從而增加了用戶帶寬，而沒(méi)有交錯(cuò)的挑戰(zhàn)。多年來(lái)一直困擾直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)的主要挑戰(zhàn)是保持I / Q平衡，以獲得可接受的鏡像抑制，LOleakage和DC偏移水平。近年來(lái)，直接轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈的高級(jí)集成與數(shù)字校準(zhǔn)相結(jié)合，克服了這些挑戰(zhàn)，直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)已成為許多系統(tǒng)中非常實(shí)用的方法。對(duì)于ADI公司而言，我們不斷推進(jìn)所述信號(hào)鏈選項(xiàng)的技術(shù)發(fā)展。未來(lái)將帶來(lái)更高的帶寬和更低的功率，同時(shí)保持高水平的性能，并在片上系統(tǒng)（SoC）或系統(tǒng)封裝（SiP）解決方案中集成完整的信號(hào)鏈。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字助理

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器模擬性能將繼續(xù)提高，模擬級(jí)別的這些改進(jìn)將包括提高采樣率以獲得更寬的帶寬，增加通道數(shù)，并保持噪聲，密度和線性度的關(guān)鍵性能指標(biāo)。這些優(yōu)勢(shì)將推動(dòng)所描述的所有RF信號(hào)鏈解決方案，有助于新的相控陣解決方案。

系統(tǒng)層面的重要性增加的領(lǐng)域是最近增加了許多數(shù)字功能（如圖4所示），用于卸載FPGA處理并幫助整個(gè)系統(tǒng)。最近發(fā)布的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器包括數(shù)字下變頻和濾波，這可能會(huì)降低FPGA的數(shù)據(jù)速率，從而降低系統(tǒng)功耗和FPGA處理要求。新興的ADI公司數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將繼續(xù)增加功能，例如數(shù)字波束成形處理前端的均衡和功能。

模擬波束成形

在高頻或低功率系統(tǒng)中，每個(gè)元件系統(tǒng)都受到尺寸和功率要求的挑戰(zhàn)。模擬波束形成的使用減少了數(shù)字化所需的波形發(fā)生器和接收器通道的數(shù)量。

相控陣天線的模擬波束形成是通過(guò)調(diào)整各個(gè)元件中信號(hào)的相位來(lái)控制輻射方向圖或波束的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 。圖5a顯示了通用的模擬波束示例。在發(fā)送/接收上提供移相器以進(jìn)行波束控制，并且許多元件組合成單個(gè)輸出。圖5b示出了功能上等效的示例，其中相位衰減器和微波開(kāi)關(guān)可以對(duì)發(fā)射器和接收器共用。后一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了所需的移相器和衰減器的數(shù)量，但可能需要對(duì)器件進(jìn)行更頻繁的命令更新。

為了克服單個(gè)子陣列的約束，可以使用拓?fù)渖啥鄠€(gè)子陣列，如圖6所示。

在此拓?fù)渲械驮肼?a href="http://ttokpm.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器（LNA）輸出被分成許多模擬波束形成器，其中N個(gè)元件可以產(chǎn)生M個(gè)模擬子陣列波束。每個(gè)模擬波束形成器被編程用于不同的天線方向圖。通過(guò)在陣列上重復(fù)圖6的拓?fù)?，可以在廣泛不同的角度創(chuàng)建數(shù)字波束形成的圖案。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種混合架構(gòu)，它可以提供每個(gè)元件數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，但具有減少的波形發(fā)生器和接收器數(shù)量。在這種情況下的權(quán)衡是模擬波束形成器的復(fù)雜性。

傳統(tǒng)的模擬波束形成器需要一個(gè)功能GaAs移相器和單功能GaAs衰減器用于每個(gè)天線元件。更先進(jìn)的方法將移相器和衰減器集成到單個(gè)GaAs前端IC中，其中包括功率放大器（PA），LNA和開(kāi)關(guān)。 ADI公司集成的模擬成像器芯片在SiGe BiCMOS技術(shù)中實(shí)現(xiàn)了顯著的集成，將四個(gè)通道集成到單個(gè)IC中，具有減小的占位面積和更低的功耗。

前端模塊

前端 - 終端模塊，有時(shí)稱為發(fā)送/接收（T / R）模塊，提供與天線元件的接口。前端模塊在發(fā)射功率和效率以及接收方面都非常重要。高功率放大器（HPA）設(shè)置輸出功率。 LNA確定系統(tǒng)噪聲性能。許多系統(tǒng)需要校準(zhǔn)或附加濾波器，圖7中顯示了一個(gè)示例前端模塊框圖。