數(shù)字波束成形相控陣技術(shù)的大量普及已經(jīng) 近年來(lái)出現(xiàn)。這項(xiàng)技術(shù)是由兩國(guó)軍方催生的。 和商業(yè)應(yīng)用，以及射頻集成的快速發(fā)展 在組件級(jí)別。

盡管有很多關(guān)于大規(guī)模MIMO和汽車?yán)走_(dá)的討論，但它 不應(yīng)忘記，最近的大多數(shù)雷達(dá)發(fā)展和波束成形 研發(fā)一直在國(guó)防工業(yè)中，現(xiàn)在正在適應(yīng) 商業(yè)應(yīng)用。當(dāng)相控陣和波束成形從 研發(fā)努力在 2000 年代成為現(xiàn)實(shí)，新一波以國(guó)防為重點(diǎn)的陣列是 現(xiàn)在預(yù)期，通過(guò)工業(yè)技術(shù)提供的解決方案實(shí)現(xiàn) 以前成本過(guò)高。

通用波束成形相控陣信號(hào)流如圖2所示。 元素的數(shù)量是在系統(tǒng)架構(gòu)師級(jí)別選擇的，基于 關(guān)于孔徑尺寸、功率和天線方向圖要求。前端 模塊位于每個(gè)天線元件后面。

圖2.通用波束成形相控陣信號(hào)流。

模擬波束成形層位于前端模塊后面。在古典 相控陣，模擬波束成形子系統(tǒng)結(jié)合了所有 集中式接收器通道的元素。每個(gè)元素的數(shù)字 波束成形相控陣具有波形發(fā)生器和接收器 在每個(gè)前端模塊后面，模擬波束成形層是 消除。在當(dāng)今的許多系統(tǒng)中，某種程度的模擬波束成形是 常見(jiàn)。波形發(fā)生器和接收器通道用于轉(zhuǎn)換 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)到工作頻段射頻頻率。數(shù)字波束成形是 首先均衡通道，然后應(yīng)用相移 和 ADC 數(shù)據(jù)的幅度權(quán)重，然后是 跨陣列的 ADC 數(shù)據(jù)。可以同時(shí)形成許多光束， 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 圖示，適用于模擬和數(shù)字波束成形架構(gòu)。

模擬與數(shù)字波束成形挑戰(zhàn)

數(shù)字波束成形相控陣的目標(biāo)是同時(shí) 為一組接收器數(shù)據(jù)生成多個(gè)天線方向圖。 圖3顯示了某個(gè)元件處的天線方向圖，組合 子陣列中的元素，以及天線級(jí)別的波束成形數(shù)據(jù)。

圖 3：數(shù)字波束成形天線方向圖。

子陣列方法的主要障礙是波束成形 數(shù)據(jù)必須在子數(shù)組的模式內(nèi)。對(duì)于單個(gè)子陣列， 不能以不同的角度生成同步模式。它 最好消除模擬波束形成器并產(chǎn)生 每個(gè)元素的數(shù)字波束成形系統(tǒng)以及當(dāng)今的技術(shù)， 現(xiàn)在，這在 L 波段和 S 波段是可能的。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成形。 然而，追求仍然是接近元素?cái)?shù)字波束成形， 這對(duì)波形發(fā)生器提出了很高的要求 和接收器。

波束成形挑戰(zhàn)對(duì)波形提出了要求 發(fā)電機(jī)和接收器減小尺寸和功率，同時(shí)有一個(gè) 需要增加大多數(shù)系統(tǒng)應(yīng)用程序的帶寬。這些目標(biāo) 相互對(duì)抗，因?yàn)樵黾訋捦ǔＰ枰?額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束的相干添加 波形發(fā)生器和接收器通道。這放置了額外的 多通道和系統(tǒng)同步的挑戰(zhàn) 噪聲貢獻(xiàn)的分配。

射頻信號(hào)鏈

表 1 顯示了一些最常用的接收器架構(gòu) 今天。超外差、直接采樣和直接轉(zhuǎn)換 架構(gòu)構(gòu)成了大多數(shù)射頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)。雖然只有 圖中顯示了接收器，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也適用于波形發(fā)生器 信號(hào)鏈

超外差方法，已經(jīng)存在了一百年 多年來(lái)，經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證并提供卓越的性能。 不幸的是，它也是最復(fù)雜的。它通常需要 相對(duì)于可用功率最大，物理占用空間最大 帶寬和頻率規(guī)劃在總體上可能非常具有挑戰(zhàn)性 分?jǐn)?shù)帶寬。

直接抽樣方式長(zhǎng)期以來(lái)一直受到追捧，障礙 以與直接射頻相稱的速度運(yùn)行轉(zhuǎn)換器 采樣并實(shí)現(xiàn)大輸入帶寬。

如今，轉(zhuǎn)換器可用于在更高的奈奎斯特中直接采樣 L 波段和 S 波段的波段。此外，進(jìn)展仍在繼續(xù) C波段采樣即將實(shí)現(xiàn)，X波段采樣也將隨之而來(lái)。

直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)提供最有效的數(shù)據(jù)利用 轉(zhuǎn)換器帶寬。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在第一奈奎斯特， 性能最佳，低通濾波更容易。二 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作，對(duì)I/Q信號(hào)進(jìn)行采樣，從而增加 用戶帶寬，沒(méi)有交錯(cuò)的挑戰(zhàn)。主要挑戰(zhàn) 多年來(lái)一直困擾著直接轉(zhuǎn)換架構(gòu) 一直保持I/Q平衡，以獲得可接受的鏡像抑制水平，LO 漏電和直流偏移。近年來(lái)，先進(jìn)的集成 整個(gè)直接轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈，結(jié)合數(shù)字校準(zhǔn)， 克服了這些挑戰(zhàn)，以及直接轉(zhuǎn)換架構(gòu) 在許多系統(tǒng)中都是一種非常實(shí)用的方法。這里 在ADI公司，我們不斷推進(jìn)面向所有人的技術(shù) 所述的信號(hào)鏈選項(xiàng)。未來(lái)將帶來(lái)增加的帶寬 和更低的功耗，同時(shí)保持高水平的性能，以及 在片上系統(tǒng) （SoC） 或系統(tǒng)中集成完整的信號(hào)鏈 封裝 （SiP） 解決方案。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字輔助

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器模擬性能將繼續(xù)提高，這些 模擬級(jí)的改進(jìn)將包括提高采樣率 實(shí)現(xiàn)更寬的帶寬、增加的通道數(shù)和維護(hù)密鑰 噪聲、密度和線性度的性能指標(biāo)。這些好處將 驅(qū)動(dòng)上述所有RF信號(hào)鏈解決方案，幫助實(shí)現(xiàn)新的分階段 陣列解決方案。

在系統(tǒng)級(jí)別上越來(lái)越重要的一個(gè)領(lǐng)域是最近增加的 許多可用于卸載的數(shù)字功能（如圖4所示） FPGA處理和幫助整個(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 降低 FPGA 的數(shù)據(jù)速率，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)添加功能，例如均衡和前面的功能 數(shù)字波束成形處理結(jié)束。

圖4.嵌入式數(shù)字功能減輕了 FPGA 處理的負(fù)擔(dān)

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)都是 受到尺寸和功率要求的挑戰(zhàn)。模擬波束成形的使用 減少波形發(fā)生器和接收器的數(shù)量 需要數(shù)字化的渠道。

相控陣天線的模擬波束成形是通過(guò)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)的 信號(hào)在各個(gè)元素中的相位，以引導(dǎo)方向 輻射圖或光束。圖5a顯示了通用模擬波束成形 例。波束的發(fā)射/接收均配有移相器 轉(zhuǎn)向，許多元素組合成一個(gè)輸出。數(shù)字 圖5b顯示了一個(gè)功能等效的示例，其中移相器 和衰減器對(duì)于發(fā)射器和接收器路徑都是通用的 通過(guò)微波開(kāi)關(guān)啟用。后面的拓?fù)錅p少了數(shù)量 需要移相器和衰減器，但可能需要更頻繁的頻率 命令更新到設(shè)備。

圖5.模擬波束成形。

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

圖6.多子陣列模擬波束成形架構(gòu)。

在這種拓?fù)渲?，低噪?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/放大器/" target="_blank">放大器（LNA）輸出被分成多路 模擬波束成形器，其中N個(gè)單元可以產(chǎn)生M個(gè)單元 模擬子陣列波束。每個(gè)模擬波束成形器都編程為 不同的天線方向圖。通過(guò)在 陣列，數(shù)字波束成形模式可以在廣泛不同的位置創(chuàng)建 角度。此拓?fù)涫且环N混合體系結(jié)構(gòu)，可以 提供每個(gè)元素?cái)?shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，但減少 波形發(fā)生器和接收器計(jì)數(shù)。在這種情況下，權(quán)衡是 模擬波束成形器的復(fù)雜性。

傳統(tǒng)的模擬波束成形器需要單一功能 每個(gè)天線的砷化鎵移相器和單功能砷化鎵衰減器 元素。更先進(jìn)的方法集成了移相器和 衰減器到單個(gè)砷化鎵前端IC，包括功率 放大器 （PA）、LNA 和開(kāi)關(guān)。ADI公司集成模擬 波束成形器芯片在SiGe BiCMOS中實(shí)現(xiàn)了顯著集成 技術(shù)，將四個(gè)通道集成到單個(gè) IC 中，并具有 占用空間更小，功耗更低。

前端模塊

前端模塊，有時(shí)稱為發(fā)送/接收 （T/R） 模塊， 提供天線元件的接口。前端模塊是 在發(fā)射功率和效率以及接收器方面至關(guān)重要 噪聲。高功率放大器 （HPA） 設(shè)置輸出功率。The LNA 建立系統(tǒng)噪聲性能。許多系統(tǒng)需要規(guī)定 用于校準(zhǔn)或附加過(guò)濾器，以及示例前端模塊 框圖如圖7所示。

圖7.前端模塊框圖示例。

總結(jié)

數(shù)字波束成形相控陣現(xiàn)在很常見(jiàn)，并且迅速普及 預(yù)計(jì)具有廣泛的頻率和架構(gòu) 從L波段發(fā)展到W波段。

ADI公司利用SiGe實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 波束成形器、微波變頻器、前端模塊和 高速轉(zhuǎn)換器。我們的波束成形解決方案與我們的 功率放大器、低噪聲放大器和開(kāi)關(guān)技術(shù)使能 ADI公司將成為市場(chǎng)上唯一的天線到比特供應(yīng)商， 為客戶復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題提供優(yōu)化的解決方案 在半導(dǎo)體和集成子系統(tǒng)級(jí)別。

審核編輯：郭婷