数字波束成形相控阵技术在军事和商业方面的应用

近年来，数字波束成形相控阵技术大量涌现。该技术已经被军事和商业应用所产生，以及组件级RF集成的快速发展。

尽管有大量关于大规模MIMO和汽车雷达的讨论，但不应该忘记大多数最近的雷达开发和波束形成R＆amp; D已经在国防工业中，现在它正在适应商业应用。虽然相位阵列和波束成形从21世纪初的研发工作转变为现实，但现在预计会出现新一波防御聚焦阵列，工业技术提供的解决方案往往成本过高。

通用波束成形相控阵信号流程如图2所示。根据孔径大小，功率和天线方向图要求，在系统架构师级别选择元件数量。前端模块位于每个天线元件后面。

模拟波束成形层位于前端模块后面。在经典相位阵列中，模拟波束形成子系统将所有元素组合到集中接收器通道。每个元件数字波束形成相控阵在每个前端模块后面都有波形发生器和接收器，并且模拟波束形成层被消除。在当今的许多系统中，某种程度的模拟波束形成是常见的。波形发生器和接收器通道用于将数字数据转换为工作频带RF频率。通过首先均衡通道，然后将相移和幅度权重应用于ADC数据，然后对阵列上的ADC数据求和，来完成数字波束成形。许多光束可以同时形成，仅受数字处理能力的限制。

ADI公司为波束成形系统的每个部分提供解决方案，包括模拟和数字波束成形架构。

模拟与数字波束成形的挑战

数字波束成形相控阵的目标是为一组接收机数据同时生成许多天线模式。图3显示了天线模式一个元素，一个子阵列中的组合元素，以及天线级别的波束形成数据。

子阵列方法的主要障碍是波束形成数据必须在子阵列的模式内。使用单个子阵列，不能以广泛不同的角度生成同时的图案。希望消除模拟波束形成器并产生非线性元件数字波束形成系统，并且利用当今的技术，现在可以在L波段和S波段使用。在更高的频率，尺寸和功率限制通常需要一定程度的模拟波束形成。然而，任务仍然接近元素数字波束形成，这对波形发生器和接收器提出了很高的要求。

虽然波束形成挑战提出了要求在波形发生器和接收器上减小尺寸和功率，同时需要增加大多数系统应用的带宽。这些目标相互对立，因为增加的带宽通常需要额外的电流和额外的电路复杂性。

数字波束成形依赖于分布式波形发生器和接收器通道的相干相加。这对许多信道的同步和噪声贡献的系统分配都提出了额外的挑战。

RF信号链

表1显示了目前正在使用的一些最常见的接收器架构。超外差，直接采样和直接转换结构构成了大多数RF系统的基础。虽然只显示了接收者，但拓扑也适用于波形生成器信号链

超外差方法已经存在了近百年，经过充分验证并提供了卓越的性能。不幸的是，它也是最复杂的。它通常需要相对于可用带宽的最大功率和最大物理占用空间，并且频率规划可以在大分数带宽上非常具有挑战性。

长期以来一直在寻求直接采样方法，以与直接RF采样相当的速度运行转换器并实现大输入带宽的障碍。

今天，转换器可用于L波段和S波段的更高奈奎斯特频段的直接采样。此外，C波段采样很快就会取得进展，并且随后将进行X波段采样。

直接转换架构可最有效地利用数据转换器带宽。数据转换器工作在第一个奈奎斯特，性能最佳，低通滤波更容易。 twodata转换器一起对I / Q信号进行采样，从而增加了用户带宽，而没有交错的挑战。多年来一直困扰直接转换架构的主要挑战是保持I / Q平衡，以获得可接受的镜像抑制，LOleakage和DC偏移水平。近年来，直接转换信号链的高级集成与数字校准相结合，克服了这些挑战，直接转换架构已成为许多系统中非常实用的方法。对于ADI公司而言，我们不断推进所述信号链选项的技术发展。未来将带来更高的带宽和更低的功率，同时保持高水平的性能，并在片上系统（SoC）或系统封装（SiP）解决方案中集成完整的信号链。

数据转换器数字助理

数据转换器模拟性能将继续提高，模拟级别的这些改进将包括提高采样率以获得更宽的带宽，增加通道数，并保持噪声，密度和线性度的关键性能指标。这些优势将推动所描述的所有RF信号链解决方案，有助于新的相控阵解决方案。

系统层面的重要性增加的领域是最近增加了许多数字功能（如图4所示），用于卸载FPGA处理并帮助整个系统。最近发布的数据转换器包括数字下变频和滤波，这可能会降低FPGA的数据速率，从而降低系统功耗和FPGA处理要求。新兴的ADI公司数据转换器将继续增加功能，例如数字波束成形处理前端的均衡和功能。

模拟波束成形

在高频或低功率系统中，每个元件系统都受到尺寸和功率要求的挑战。模拟波束形成的使用减少了数字化所需的波形发生器和接收器通道的数量。

相控阵天线的模拟波束形成是通过调整各个元件中信号的相位来控制辐射方向图或波束的方向来实现的。 。图5a显示了通用的模拟波束示例。在发送/接收上提供移相器以进行波束控制，并且许多元件组合成单个输出。图5b示出了功能上等效的示例，其中相位衰减器和微波开关可以对发射器和接收器共用。后一种拓扑结构减少了所需的移相器和衰减器的数量，但可能需要对器件进行更频繁的命令更新。

为了克服单个子阵列的约束，可以使用拓扑生成多个子阵列，如图6所示。

在此拓扑中低噪声放大器（LNA）输出被分成许多模拟波束形成器，其中N个元件可以产生M个模拟子阵列波束。每个模拟波束形成器被编程用于不同的天线方向图。通过在阵列上重复图6的拓扑，可以在广泛不同的角度创建数字波束形成的图案。这种拓扑结构是一种混合架构，它可以提供每个元件数字系统的优势，但具有减少的波形发生器和接收器数量。在这种情况下的权衡是模拟波束形成器的复杂性。

传统的模拟波束形成器需要一个功能GaAs移相器和单功能GaAs衰减器用于每个天线元件。更先进的方法将移相器和衰减器集成到单个GaAs前端IC中，其中包括功率放大器（PA），LNA和开关。 ADI公司集成的模拟成像器芯片在SiGe BiCMOS技术中实现了显着的集成，将四个通道集成到单个IC中，具有减小的占位面积和更低的功耗。

前端模块

前端 - 终端模块，有时称为发送/接收（T / R）模块，提供与天线元件的接口。前端模块在发射功率和效率以及接收方面都非常重要。高功率放大器（HPA）设置输出功率。 LNA确定系统噪声性能。许多系统需要校准或附加滤波器，图7中显示了一个示例前端模块框图。