數(shù)字波束成形相控陣技術的大量普及已經 近年來出現(xiàn)。這項技術是由兩國軍方催生的。 和商業(yè)應用，以及射頻集成的快速發(fā)展 在組件級別。

盡管有很多關于大規(guī)模MIMO和汽車雷達的討論，但它 不應忘記，最近的大多數(shù)雷達發(fā)展和波束成形 研發(fā)一直在國防工業(yè)中，現(xiàn)在正在適應 商業(yè)應用。當相控陣和波束成形從 研發(fā)努力在 2000 年代成為現(xiàn)實，新一波以國防為重點的陣列是 現(xiàn)在預期，通過工業(yè)技術提供的解決方案實現(xiàn) 以前成本過高。

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

圖2.通用波束成形相控陣信號流。

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)結合了所有 集中式接收器通道的元素。每個元素的數(shù)字 波束成形相控陣具有波形發(fā)生器和接收器 在每個前端模塊后面，模擬波束成形層是 消除。在當今的許多系統(tǒng)中，某種程度的模擬波束成形是 常見。波形發(fā)生器和接收器通道用于轉換 數(shù)字數(shù)據到工作頻段射頻頻率。數(shù)字波束成形是 首先均衡通道，然后應用相移 和 ADC 數(shù)據的幅度權重，然后是 跨陣列的 ADC 數(shù)據?？梢酝瑫r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。

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是同時 為一組接收器數(shù)據生成多個天線方向圖。 圖3顯示了某個元件處的天線方向圖，組合 子陣列中的元素，以及天線級別的波束成形數(shù)據。

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)據必須在子數(shù)組的模式內。對于單個子陣列， 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生 每個元素的數(shù)字波束成形系統(tǒng)以及當今的技術， 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數(shù)字波束成形， 這對波形發(fā)生器提出了很高的要求 和接收器。

波束成形挑戰(zhàn)對波形提出了要求 發(fā)電機和接收器減小尺寸和功率，同時有一個 需要增加大多數(shù)系統(tǒng)應用程序的帶寬。這些目標 相互對抗，因為增加帶寬通常需要 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) 噪聲貢獻的分配。

射頻信號鏈

表 1 顯示了一些最常用的接收器架構 今天。超外差、直接采樣和直接轉換 架構構成了大多數(shù)射頻系統(tǒng)的基礎。雖然只有 圖中顯示了接收器，拓撲結構也適用于波形發(fā)生器 信號鏈

超外差方法，已經存在了一百年 多年來，經過充分驗證并提供卓越的性能。 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 分數(shù)帶寬。

直接抽樣方式長期以來一直受到追捧，障礙 以與直接射頻相稱的速度運行轉換器 采樣并實現(xiàn)大輸入帶寬。

如今，轉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，進展仍在繼續(xù) C波段采樣即將實現(xiàn)，X波段采樣也將隨之而來。

直接轉換架構提供最有效的數(shù)據利用 轉換器帶寬。數(shù)據轉換器在第一奈奎斯特， 性能最佳，低通濾波更容易。二 數(shù)據轉換器協(xié)同工作，對I/Q信號進行采樣，從而增加 用戶帶寬，沒有交錯的挑戰(zhàn)。主要挑戰(zhàn) 多年來一直困擾著直接轉換架構 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，先進的集成 整個直接轉換信號鏈，結合數(shù)字校準， 克服了這些挑戰(zhàn)，以及直接轉換架構 在許多系統(tǒng)中都是一種非常實用的方法。這里 在ADI公司，我們不斷推進面向所有人的技術 所述的信號鏈選項。未來將帶來增加的帶寬 和更低的功耗，同時保持高水平的性能，以及 在片上系統(tǒng) （SoC） 或系統(tǒng)中集成完整的信號鏈 封裝 （SiP） 解決方案。

數(shù)據轉換器數(shù)字輔助

數(shù)據轉換器模擬性能將繼續(xù)提高，這些 模擬級的改進將包括提高采樣率 實現(xiàn)更寬的帶寬、增加的通道數(shù)和維護密鑰 噪聲、密度和線性度的性能指標。這些好處將 驅動上述所有RF信號鏈解決方案，幫助實現(xiàn)新的分階段 陣列解決方案。

在系統(tǒng)級別上越來越重要的一個領域是最近增加的 許多可用于卸載的數(shù)字功能（如圖4所示） FPGA處理和幫助整個系統(tǒng)。最近發(fā)布的數(shù)據 轉換器包括數(shù)字下變頻和濾波，這可能 降低 FPGA 的數(shù)據速率，降低系統(tǒng)功耗和 FPGA 處理要求。新興的ADI公司數(shù)據轉換器將 繼續(xù)添加功能，例如均衡和前面的功能 數(shù)字波束成形處理結束。

圖4.嵌入式數(shù)字功能減輕了 FPGA 處理的負擔

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調整來實現(xiàn)的 信號在各個元素中的相位，以引導方向 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 轉向，許多元素組合成一個輸出。數(shù)字 圖5b顯示了一個功能等效的示例，其中移相器 和衰減器對于發(fā)射器和接收器路徑都是通用的 通過微波開關啟用。后面的拓撲減少了數(shù)量 需要移相器和衰減器，但可能需要更頻繁的頻率 命令更新到設備。

圖5.模擬波束成形。

為了克服單個子陣列的約束，多個子陣列可以 使用拓撲生成，如圖 6 所示。

圖6.多子陣列模擬波束成形架構。

在這種拓撲中，低噪聲放大器（LNA）輸出被分成多路 模擬波束成形器，其中N個單元可以產生M個單元 模擬子陣列波束。每個模擬波束成形器都編程為 不同的天線方向圖。通過在 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。此拓撲是一種混合體系結構，可以 提供每個元素數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢，但減少 波形發(fā)生器和接收器計數(shù)。在這種情況下，權衡是 模擬波束成形器的復雜性。

傳統(tǒng)的模擬波束成形器需要單一功能 每個天線的砷化鎵移相器和單功能砷化鎵衰減器 元素。更先進的方法集成了移相器和 衰減器到單個砷化鎵前端IC，包括功率 放大器 （PA）、LNA 和開關。ADI公司集成模擬 波束成形器芯片在SiGe BiCMOS中實現(xiàn)了顯著集成 技術，將四個通道集成到單個 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重要 噪聲。高功率放大器 （HPA） 設置輸出功率。The LNA 建立系統(tǒng)噪聲性能。許多系統(tǒng)需要規(guī)定 用于校準或附加過濾器，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

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

ADI公司利用SiGe實現(xiàn)新系統(tǒng)開發(fā) 波束成形器、微波變頻器、前端模塊和 高速轉換器。我們的波束成形解決方案與我們的 功率放大器、低噪聲放大器和開關技術使能 ADI公司將成為市場上唯一的天線到比特供應商， 為客戶復雜的系統(tǒng)問題提供優(yōu)化的解決方案 在半導體和集成子系統(tǒng)級別。

審核編輯：郭婷