結合兩種技術優勢:即時延遲與相移器

作者 : Bilgin Kiziltas,ADI現場應用工程師

一般認為可以在混合波束成形架構中組合使用相移器(PS)和即時延遲(TTD),以提供更好的SWaP-C和複雜程度相對較低的系統設計。

本文概述兩種電子波束成形技術的優點和缺點:相移器(PS)和即時延遲(TTD)。一般認為可以在混合波束成形架構中組合使用此兩種方法,以提供更好的SWaP-C和複雜程度相對較低的系統設計。

電子掃描陣列(ESA)使用PS或TTD或兩者的組合,在陣列的轉向角限值內使彙聚波束指向目標方向。用於實現錐形波束的可調衰減器也可以被視為波束成形元件。本文將探討在相同的ESA中,可從何處,以及如何使用TTD和PS分層方法來因應相位陣列設計挑戰。

利用基本公式探索可能的使用場景

暫態頻寬(IBW)可以定義為無需調諧,即可保持在基於系統要求設定的目標性能指標內的頻段。

TTD在該頻率範圍內具有恆定的相位斜率;因此,使用TTD,而非使用PS的ESA建置方案不會出現波束斜視效應。所以,對於高IBW應用而言,基於TTD的ESA更加方便。

PS在其工作頻率範圍內具有恆定的相位;因此,在整個系統中,特定的相移器設定會導致在不同的頻率下產生不同的波束轉向角。所以相較於基於TTD的陣列,基於PS的陣列的IBM範圍可能更窄一些。

此現象被稱為波束斜視,可以使用公式(1)計算,其中Δθ表示峰值斜視角,θ0表示最大波束角,f0表示載波頻率,f表示暫態訊號頻率。

使用公式(1),可以計算出在最壞情況下,即低頻率邊緣(載波頻率為3GHz,暫態訊號頻率為2.9GHz)下,±30°波束轉向角系統的Δθ約為1.15°,訊號頻率為3GHz,IBW為100MHz。在最壞情況下,將波束轉向角調節到±60°,將IBW調節到200MHz,會導致約8.11°的波束斜視。很明顯,即使在雷達應用中,TTD也是更合適的選擇。可以說相較於TTD,PS的設計簡單和成本優勢使其適用於更廣泛的市場,所以ESA主要採用相移器。

如果TTD能夠符合系統要求,那麼在相同的訊號鏈中使用PS合理嗎?為了驗證此點,本文對一個32×32(正方形)的ESA進行試驗,其天線元件之間的閘距(d)為d=λ/2,工作頻率範圍為8GHz~12GHz,掃描角度為±60°,且假設所有場景都符合EIRP標準。

在本例中,根據公式(2)中提供的均勻線性陣列的半功率波束寬度近似公式,方位角和仰角對應的系統波束寬度分別為≅3.17° (視軸,θ=0°)和≅6.35°(最大掃描角,θ=60°),其中N表示一個軸上的元素數,θB表示同一軸上的波束寬度(單位為度)。

當每個天線元件都使用6位元5.6°LSB PS時,根據公式(3)可以計算得出,該陣列的一維最大波束角解析度θRES_MAX約為≅0.056°。

根據用於時移和相移轉換的公式(4),在12GHz時,要獲得0.056°波束角解析度,需要使用一個約1.3ps LSB TTD來代替5.6° LSB PS。

即使在很小的掃描角度下,波束寬度值也遠大於波束角解析度,將PS與TTD串聯可補償波束角解析度,但會產生額外的波束斜視,也會降低系統的波束角解析度。實際上,使用解析度更高的TTD是為了實現更低的量化旁瓣水準(QSLL),而不是為了實現更高的波束角解析度。隨著頻率升高,相較於根據所需的相位解析度設計PS,依照所需的時間解析度設計TTD來滿足目標QSLL標準相對更加困難;因此,可以將PS和TTD組合使用,不但可以達到目標QSLL標準,而且仍然可以保持合理的波束斜視水準。

在同一個ESA中同時採用PS和TTD是為了在設計具有交叉極化能力的系統時,可以減輕波束斜視。交叉極化是透過在天線元件的V端和H端之間設定90°相移產生。在要求的交叉極化頻寬內,使兩端之間的相移盡可能接近90°有助於實現傑出的交叉極化隔離,以保證良好運作。基於PS的ESA在頻率範圍內保持恆定相位,所以具有寬頻交叉極性能力(圖1),基於TTD的ESA則不同,只有在單一頻率下,兩端之間才能達到90° (圖2)。圖3所示的架構可用於交叉極化,同時消除波束斜視。

 

圖1:天線元件的V和H端使用相移器時的無非斜視寬頻交叉極化。

 

圖2:天線元件的V和H端使用即時延遲時的無斜視窄頻交叉極化。

 

圖3:天線元件的V和H端的通用leg和相移器的即時延遲可以最佳化波束斜視,並實現寬頻交叉極化能力。

 

TTD覆蓋範圍由最低工作頻率下,整個陣列中,相距最遠的兩個元件間,最大延遲ΔtMAX決定。根據公式(5),圖4所示的陣列示例的TTD覆蓋約2.45ns。

 

 

圖4:1024 (32 × 32)元件陣列分為16個子陣列,每個子陣列由8 × 8個元件組成。

 

在不需要交叉極化時,是否能使用TTD取代天線元件中的PS,需要考慮幾點。此覆蓋表示很高的損耗,且很難適應天線間距。在給定的覆蓋範圍內,使用6位元相位PS的解析度會帶來一些設計挑戰,且會導致TTD中設定多個延遲級。

如果解析度保持不變,透過減少覆蓋範圍來消除這些缺陷,而在超過該覆蓋範圍時(使用公式(4)計算等效相位)則會歸零,然而波束斜視特性會消失。

此種快速分析顯示,即使在不需要交叉極化時,在每個天線元件中使用PS後在子陣列的通用leg中使用TTD,此結構非常有效。圖4中的TTD還是需要相同的覆蓋範圍,但現在其用於匹配子陣列之間相對較大的時間延遲,因此其解析度要求相對於每個天線元件中的TTD有所放寬。

將相位陣列分為子陣列可以降低系統的成本和複雜性,但會導致更高的掃描損耗,且會降低波束轉向解析度。透過提供更寬的波束寬度,子陣列的波束寬度更寬,對波束斜視效應的耐受性會更高。從子陣列的大小來看,波束斜視和波束寬度目標顯然是重要的考量因素。

結論

在每個天線元件中採用即時延遲是為了實現無寬頻斜視操作,每個天線元件的V和H端使用相移器,則是為了實現寬頻交叉極化操作。

如果不需要交叉極化,且目標是實現完全無斜視操作,則應採用基於TTD的設計。隨著頻率加大,增加PS有助於滿足QSLL目標,但會影響無斜視操作。

如果需要交叉極化,那麼天線的每個極化端都應連接完全一樣的單一PS,且在工作頻寬上實現嚴格的90°相移。在PS的通用leg上增加TTD有助於消除波束斜視。

無論是否需要交叉極化,在子陣列結構中,在天線元件中使用PS,然後在子陣列的通用leg中使用TTD,這會是一種經濟高效的解決方案。請注意,可以在數位域中實現TTD功能,所有數位設計都可以消除TTD和PS,但這會導致系統成本升高。

在深入研究ESA設計面臨的無數挑戰之前,瞭解單獨使用TTD或PS與將二者組合使用之間的差異是規劃系統級波束成形架構的重要部分,該架構具有更好的SWaP-C,因此可滿足系統要求。

ADI提供豐富的解決方案、平台和產品組合,適用於各種應用中的所有類比、數位和混合波束成形ESA,因此能為整個訊號鏈提供客製化功率解決方案。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年10月號

 

 

 

 

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