數(shù)字波束成形相控陣技術(shù)在軍事和商業(yè)方面的應用

近年來，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)應用所產(chǎn)生，以及組件級RF集成的快速發(fā)展。

盡管有大量關(guān)于大規(guī)模MIMO和汽車雷達的討論，但不應該忘記大多數(shù)最近的雷達開發(fā)和波束形成R＆amp; D已經(jīng)在國防工業(yè)中，現(xiàn)在它正在適應商業(yè)應用。雖然相位陣列和波束成形從21世紀初的研發(fā)工作轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實，但現(xiàn)在預計會出現(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高。

通用波束成形相控陣信號流程如圖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)師級別選擇元件數(shù)量。前端模塊位于每個天線元件后面。

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。每個元件數(shù)字波束形成相控陣在每個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。在當今的許多系統(tǒng)中，某種程度的模擬波束形成是常見的。波形發(fā)生器和接收器通道用于將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工作頻帶RF頻率。通過首先均衡通道，然后將相移和幅度權(quán)重應用于ADC數(shù)據(jù)，然后對陣列上的ADC數(shù)據(jù)求和，來完成數(shù)字波束成形。許多光束可以同時形成，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是為一組接收機數(shù)據(jù)同時生成許多天線模式。圖3顯示了天線模式一個元素，一個子陣列中的組合元素，以及天線級別的波束形成數(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)。使用單個子陣列，不能以廣泛不同的角度生成同時的圖案。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)仍然接近元素數(shù)字波束形成，這對波形發(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，同時需要增加大多數(shù)系統(tǒng)應用的帶寬。這些目標相互對立，因為增加的帶寬通常需要額外的電流和額外的電路復雜性。

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。這對許多信道的同步和噪聲貢獻的系統(tǒng)分配都提出了額外的挑戰(zhàn)。

RF信號鏈

表1顯示了目前正在使用的一些最常見的接收器架構(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，但拓撲也適用于波形生成器信號鏈

超外差方法已經(jīng)存在了近百年，經(jīng)過充分驗證并提供了卓越的性能。不幸的是，它也是最復雜的。它通常需要相對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)劃可以在大分數(shù)帶寬上非常具有挑戰(zhàn)性。

長期以來一直在尋求直接采樣方法，以與直接RF采樣相當?shù)乃俣冗\行轉(zhuǎn)換器并實現(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波段采樣很快就會取得進展，并且隨后將進行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)換器工作在第一個奈奎斯特，性能最佳，低通濾波更容易。 twodata轉(zhuǎn)換器一起對I / Q信號進行采樣，從而增加了用戶帶寬，而沒有交錯的挑戰(zhàn)。多年來一直困擾直接轉(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，直接轉(zhuǎn)換信號鏈的高級集成與數(shù)字校準相結(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)中非常實用的方法。對于ADI公司而言，我們不斷推進所述信號鏈選項的技術(shù)發(fā)展。未來將帶來更高的帶寬和更低的功率，同時保持高水平的性能，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，模擬級別的這些改進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。這些優(yōu)勢將推動所描述的所有RF信號鏈解決方案，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調(diào)整各個元件中信號的相位來控制輻射方向圖或波束的方向來實現(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行波束控制，并且許多元件組合成單個輸出。圖5b示出了功能上等效的示例，其中相位衰減器和微波開關(guān)可以對發(fā)射器和接收器共用。后一種拓撲結(jié)構(gòu)減少了所需的移相器和衰減器的數(shù)量，但可能需要對器件進行更頻繁的命令更新。

為了克服單個子陣列的約束，可以使用拓撲生成多個子陣列，如圖6所示。

在此拓撲中低噪聲放大器（LNA）輸出被分成許多模擬波束形成器，其中N個元件可以產(chǎn)生M個模擬子陣列波束。每個模擬波束形成器被編程用于不同的天線方向圖。通過在陣列上重復圖6的拓撲，可以在廣泛不同的角度創(chuàng)建數(shù)字波束形成的圖案。這種拓撲結(jié)構(gòu)是一種混合架構(gòu)，它可以提供每個元件數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢，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雜性。

傳統(tǒng)的模擬波束形成器需要一個功能GaAs移相器和單功能GaAs衰減器用于每個天線元件。更先進的方法將移相器和衰減器集成到單個GaAs前端IC中，其中包括功率放大器（PA），LNA和開關(guān)。 ADI公司集成的模擬成像器芯片在SiGe BiCMOS技術(shù)中實現(xiàn)了顯著的集成，將四個通道集成到單個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)需要校準或附加濾波器，圖7中顯示了一個示例前端模塊框圖。