在之前關(guān)于真時(shí)延單元的文章《精準(zhǔn)指向的藝術(shù)：真時(shí)延技術(shù)深度解析》中，我們探討了真時(shí)延技術(shù)如何在有源電子掃描陣列（AESA）系統(tǒng)中工作，以及實(shí)現(xiàn)時(shí)延的一些方法；如單片微波集成電路（MMIC）、微帶線和帶狀線。其中，MMIC因其體積小、成本低而最為常用。

在現(xiàn)代通信、雷達(dá)和相控陣系統(tǒng)中，時(shí)延單元（TDU）是實(shí)現(xiàn)精確信號(hào)發(fā)射和接收的基本組件。這些單元確保多個(gè)天線元件之間的信號(hào)同步，對(duì)于優(yōu)化波束成形、方向性和距離分辨率等性能指標(biāo)舉足輕重。本文將探討TDU在相控陣系統(tǒng)中的角色、它們與天線性能的關(guān)系，以及不同的設(shè)計(jì)考量如何影響系統(tǒng)效率。討論還將深入到TDU與移相器的集成、真時(shí)延技術(shù)，以及波束寬度、掃描角和陣列尺寸之間的關(guān)系。

相控陣系統(tǒng)與時(shí)延單元

相控陣系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信系統(tǒng)和衛(wèi)星跟蹤等需要定向信號(hào)發(fā)射及接收的應(yīng)用中。典型的相控陣由單元陣列子陣構(gòu)成，每個(gè)陣列子陣包含多個(gè)天線元件及相關(guān)電子設(shè)備，如波束成形集成電路（BFIC）和射頻（RF）前端模塊。這些陣列子陣通常按2x2方陣等配置排列，以便根據(jù)需要擴(kuò)展整體陣列的尺寸及性能，如圖1所示。

圖1，以2x2陣列子陣方陣構(gòu)建的相控陣

相控陣有效運(yùn)行的關(guān)鍵在于能夠控制每個(gè)天線元件接收或發(fā)射信號(hào)的相對(duì)時(shí)序。這正是TDU的作用所在；它們通過在信號(hào)路徑中引入受控時(shí)延，以確保陣列中信號(hào)的正確時(shí)序，從而促進(jìn)相干波束成形并改善信號(hào)的方向性。接下來，讓我們探討一下相控陣系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。

相控陣的品質(zhì)因數(shù)：EIRP和G/T

相控陣系統(tǒng)中兩個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)是等效全向輻射功率（EIRP）和增益溫度比（G/T）；其中，EIRP衡量發(fā)射機(jī)功率，而G/T評(píng)估接收機(jī)的靈敏度。EIRP測(cè)量天線陣列在特定方向上的有效輻射功率，這對(duì)于在傳輸過程中實(shí)現(xiàn)足夠的信噪比（SNR）十分關(guān)鍵。另一方面，G/T是衡量陣列靈敏度的指標(biāo)，在接收過程中尤為重要。以下是計(jì)算這些性能指標(biāo)所用的數(shù)學(xué)公式。

相對(duì)于各向同性天線的分貝值（dBi）是一個(gè)度量單位，用于描述與同時(shí)向所有方向輻射的各向同性輻射器相比，天線在單一方向上的輻射功率大小。這兩者間的差異稱為天線增益，以dBi形式的數(shù)值表示。

圖2，各向同性天線與定向天線陣列

EIRP和G/T都與陣列的輻射功率和增益直接相關(guān)，而這些又取決于放大器性能、天線設(shè)計(jì)和波束成形技術(shù)。天線陣列和波束成形技術(shù)提高了系統(tǒng)的方向性；但隨著方向性的增加，波束寬度也隨之變窄，從而給保持足夠的瞬時(shí)帶寬帶來挑戰(zhàn)。此時(shí)，工程人員必須仔細(xì)評(píng)估系統(tǒng)級(jí)的權(quán)衡因素，以優(yōu)化設(shè)計(jì)。

波束成形與陣列設(shè)計(jì)的權(quán)衡

天線陣列通常采用均勻線性陣列（ULA）或均勻矩形陣列（URA）配置進(jìn)行設(shè)計(jì)；在這兩種設(shè)計(jì)中天線元件分別沿一個(gè)或兩個(gè)軸等距分布。波束成形技術(shù)通過將發(fā)射或接收的信號(hào)聚焦在一個(gè)特定方向（稱為到達(dá)方向，DOA）來提高陣列的方向性。

圖3，均勻線性陣列與均勻矩形陣列的比較

相控陣系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)權(quán)衡之一在于波束寬度與方向性間的取舍。陣列大小和天線元件數(shù)量在此權(quán)衡中起關(guān)鍵作用。隨著元件數(shù)量的增加，波束寬度變得更窄，從而提高方向性和增益。然而，過窄的波束寬度可能限制陣列的能力，無法在不顯著降低系統(tǒng)瞬時(shí)帶寬的情況下捕獲來自廣泛方向的信號(hào)。

天線陣列的最小波束寬度必須確保瞬時(shí)帶寬大于所需信號(hào)帶寬，以保持信號(hào)的完整性和性能。天線陣列的波束寬度受陣列大小和最大掃描角度的影響。隨著陣列尺寸的增大，尤其是天線元件數(shù)量翻倍時(shí)，波束寬度會(huì)變窄，從而使信號(hào)發(fā)射和接收更加聚焦。這種聚焦增強(qiáng)了陣列的方向性——大約可翻倍或增加3dB，如圖4所示。這種關(guān)系對(duì)于實(shí)現(xiàn)相控陣系統(tǒng)的最佳性能至關(guān)重要，其中波束成形和信號(hào)方向性是必不可少的。

圖4，圖示波束寬度 vs 元件數(shù)量 vs 相對(duì)方向性

瞬時(shí)帶寬與波束寬度

天線陣列的瞬時(shí)帶寬必須大于所需信號(hào)帶寬，以確保陣列能夠容納整個(gè)信號(hào)而不會(huì)顯著衰減。例如，在雷達(dá)系統(tǒng)中，脈沖寬度（Td）決定了所需信號(hào)帶寬（Bs），較短的脈沖寬度可提供更好的測(cè)距分辨率，但會(huì)降低最大探測(cè)范圍。因此，較短的脈沖寬度可提高測(cè)距分辨率，從而更容易且更準(zhǔn)確地區(qū)分彼此靠近的目標(biāo)。

陣列的波束寬度與陣列中的元件數(shù)量（N）和掃描角度（θs）有關(guān)。對(duì)于在最大頻率為10GHz且信號(hào)帶寬為1.5GHz條件下工作的ULA，陣列最多可以支持16個(gè)振子，并且在最大掃描角度為60度時(shí)不會(huì)顯著影響信號(hào)質(zhì)量。陣列的波束寬度可以進(jìn)一步根據(jù)波長(zhǎng)（λ）、陣列大小和掃描角度進(jìn)行計(jì)算。

例如，在一個(gè)最大頻率為10GHz的ULA中，Bs=1.5GHz，最大掃描角（θs，max）=60°，則該天線在不顯著降低信號(hào)質(zhì)量的情況下，最多可擁有16個(gè)陣列振子。

此外，陣列的波束寬度可以通過以下公式定義：

利用上述方程，我們可以定義不同陣列尺寸波束寬度和掃描角度之間的關(guān)系，如下圖所示。

圖5：不同陣列尺寸和掃描角度下的波束寬度

現(xiàn)在我們有了確定所需帶寬、陣列大小和最大掃描角度的數(shù)據(jù)，以滿足系統(tǒng)要求。

確定ULA系統(tǒng)中的真時(shí)延

在波束成形系統(tǒng)中，移相器和時(shí)延單元都被用來控制信號(hào)在陣列振子間的路徑。移相器通過改變信號(hào)的相位來引導(dǎo)波束指向特定方向；時(shí)延單元?jiǎng)t在信號(hào)中引入真延遲，來獲得更精確的控制，尤其是在寬帶情況下。

天線陣列的最小波束寬度必須擁有大于所需信號(hào)帶寬的瞬時(shí)帶寬。隨著陣列尺寸的增加和掃描角度的擴(kuò)大，這一要求變得尤為關(guān)鍵。TDU引入真時(shí)延而非相位移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)更精確的波束控制，特別是對(duì)于寬帶信號(hào)。

利用下圖6中的圖表，我們可以確定ULA系統(tǒng)所需的時(shí)間延遲。

圖6，不同陣列尺寸和掃描角度下的波束寬度

一個(gè)典型6位移相器的最低有效位（LSB）為5.625°。大約需要τ min = 75ps（皮秒）的LSB時(shí)延來替代一個(gè)5.625 LSB移相器。根據(jù)圖6和下面的方程，對(duì)于一個(gè)具有60°最大掃描角的16振子ULA，總共需要650ps的時(shí)間延遲。針對(duì)更大的陣列或更寬的掃描角，也可以將多個(gè)TDU級(jí)聯(lián)起以實(shí)現(xiàn)所需的延遲。

波束形成器IC配置中的時(shí)延單元類型

AESA天線可以使用移相器或TDU來控制信號(hào)波束；每種方式都有不同的權(quán)衡。TDU更適合于具有較大瞬時(shí)帶寬的系統(tǒng)；因?yàn)槠渫ㄟ^在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持恒定的相位斜率來防止波束失真（即波束傾斜）。相比之下，移相器保持恒定的相位，但在不同頻率下可能導(dǎo)致不同的波束導(dǎo)向角度，因此更適合于較窄帶寬的系統(tǒng)。

移相器近似時(shí)間延遲，在中心頻率上實(shí)現(xiàn)最佳波束控制，但在較高頻率下可能導(dǎo)致欠轉(zhuǎn)向，在較低頻率下則出現(xiàn)過轉(zhuǎn)向。雖然移相器成本更低且應(yīng)用廣泛，但它們可能在寬帶應(yīng)用中產(chǎn)生波束傾斜。

有些架構(gòu)同時(shí)采用TDU和移相器來緩解這一問題，將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，如圖7右側(cè)所示。工程人員在決定采用哪種方法時(shí)，必須考慮系統(tǒng)要求，如陣列尺寸和帶寬。在某些情況下，在陣列振子上使用移相器、在部分振子后方布置TDU的混合解決方案可能就足夠了；而更大的陣列或?qū)拵?yīng)用則可能需要在每個(gè)天線振子上都配備TDU。

圖7，四通道AESA陣列子陣

時(shí)延單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

時(shí)延單元的實(shí)現(xiàn)方法多種多樣，包括開關(guān)延時(shí)線、傳輸線，以及電感（L）和電容（C）元件。設(shè)計(jì)人員會(huì)綜合考慮各種權(quán)衡因素，選擇最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以滿足設(shè)計(jì)要求。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇取決于系統(tǒng)的具體要求，包括所需的延時(shí)范圍、精度以及陣列的物理尺寸。

TDU采用多級(jí)結(jié)構(gòu)（由比特位表示）來控制時(shí)間延遲?；陂_關(guān)的TDU設(shè)計(jì)具有更低的噪聲和損耗，但需要更大的裸片尺寸，有時(shí)甚至比人工傳輸線（ATL）設(shè)計(jì)大三倍。然而，ATL設(shè)計(jì)由于其人工結(jié)構(gòu)，往往會(huì)造成更多的噪聲和損耗。

在雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，掃描角度起著關(guān)鍵作用；其基于具體應(yīng)用需求，決定了系統(tǒng)究竟應(yīng)針對(duì)近距離目標(biāo)檢測(cè)，還是遠(yuǎn)距離目標(biāo)檢測(cè)進(jìn)行優(yōu)化。TDU用于調(diào)整脈沖寬度，從而影響檢測(cè)范圍。舉例來說，2ps（皮秒）的時(shí)延可容納較短的脈沖寬度，適用于檢測(cè)較近的物體；而4ps的時(shí)延則適用于較長(zhǎng)的脈沖，能夠檢測(cè)較遠(yuǎn)的物體。下表展示了在精細(xì)和粗略模式下，每一比特位所代表的皮秒級(jí)時(shí)延。每個(gè)應(yīng)用都需要特定的時(shí)延；例如在精細(xì)模式下，TDU提供2ps的最小時(shí)延和254ps的最大時(shí)延；在粗略模式下，TDU可提供高達(dá)508ps的最大時(shí)延。

表1，比特位與時(shí)延的對(duì)應(yīng)關(guān)系（精細(xì)模式 vs 粗略模式）

結(jié)論

時(shí)延單元是現(xiàn)代相控陣系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，提供了精密波束成形和提升系統(tǒng)性能所需的精確控制。無論單獨(dú)使用還是與移相器結(jié)合使用，TDU在雷達(dá)、通信系統(tǒng)、衛(wèi)星跟蹤等應(yīng)用中均發(fā)揮著不可或缺的作用，有助于實(shí)現(xiàn)所需的波束寬度、方向性和信號(hào)帶寬。

時(shí)延單元的設(shè)計(jì)和實(shí)施涉及多個(gè)方面的權(quán)衡，包括陣列尺寸、掃描角度和帶寬。通過精心選擇適當(dāng)?shù)腡DU拓?fù)浜团渲?，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在滿足日益復(fù)雜寬帶應(yīng)用需求的同時(shí)優(yōu)化性能。