【導讀】電子掃描陣列(ESA)中會(huì )使用移相器(PS)和實(shí)時(shí)延遲(TTD)或兩者的組合，在陣列的轉向角限值內使匯聚波束指向目標方向。而用于實(shí)現錐形波束的可調衰減器也可被視為波束成形元件。本文將探討在相同的ESA中，在何處以及如何使用TTD和PS分層方法可以幫助消除一些相控陣設計挑戰。
利用基本公式探索可能的使用場(chǎng)景
瞬時(shí)帶寬(IBW)可以定義為無(wú)需調諧，即可保持在基于系統要求設定的目標性能指標內的頻段。
TTD在該頻率范圍內具有恒定的相位斜率；因此，使用TTD，而非使用PS的ESA實(shí)施方案不會(huì )出現波束斜視效應。所以，對于高IBW應用，基于TTD的ESA更加方便。
PS在其工作頻率范圍內具有恒定的相位；因此，在整個(gè)系統中，特定的移相器設置會(huì )導致在不同的頻率下產(chǎn)生不同的波束轉向角。所以，與基于TTD的陣列相比，基于PS的陣列的IBM范圍可能更窄一些。
這種現象被稱(chēng)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表示瞬時(shí)信號頻率。
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，瞬時(shí)信號頻率為2.9GHz）下，±30°波束轉向角系統的Δθ約為1.15°，信號頻率為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(huì )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?？梢哉f(shuō)，相比TTD，PS的設計簡(jiǎn)單和成本優(yōu)勢使其適用于更廣泛的市場(chǎng)，所以ESA主要采用移相器。
如果TTD能夠符合系統要求，那么在相同的信號鏈中使用PS合理嗎？
為了驗證，ADI對一個(gè)32 × 32（正方形）的ESA進(jìn)行試驗，其天線(xiàn)元件之間的柵距(d)為d = λ/2，工作頻率范圍為8GHz至12GHz，掃描角度為±60°，且假定所有場(chǎng)景（圖4）都符合EIRP標準。
在本例中，根據公式2中給出的均勻線(xiàn)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(gè)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(gè)天線(xiàn)元件都使用6位5.6°LSB PS時(shí)，根據公式3可以計算得出，該陣列的一維最大波束角分辨率θRES_MAX約為? 0.056°。
根據用于時(shí)移和相移轉換的方程4，在12GHz時(shí)，要獲得0.056°波束角分辨率，需要使用一個(gè)約1.3ps LSB TTD來(lái)代替5.6°LSB PS。
即使在很小的掃描角度下，波束寬度值也遠大于波束角分辨率，將PS與TTD串聯(lián)可以補償波束角分辨率，但會(huì )產(chǎn)生額外的波束斜視，也會(huì )降低系統的波束角分辨率。實(shí)際上，使用分辨率更高的TTD是為了實(shí)現更低的量化旁瓣水平(QSLL)，而不是為了實(shí)現更高的波束角分辨率。隨著(zhù)頻率升高，相比根據所需的相位分辨率設計PS，根據所需的時(shí)間分辨率設計TTD來(lái)滿(mǎn)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平。
在同一個(gè)ESA中同時(shí)采用PS和TTD是為了在設計具有交叉極化能力的系統時(shí)，可以減輕波束斜視。交叉極化是通過(guò)在天線(xiàn)元件的V端和H端之間設置90°相移來(lái)產(chǎn)生的。在要求的交叉極化帶寬內，使兩端之間的相移盡可能接近90°有助于實(shí)現出色的交叉極化隔離，以保證良好運行?；赑S的ESA在頻率范圍內保持恒定相位，所以具有寬帶交叉極性能力（圖1），基于TTD的ESA則不同，只有在單個(gè)頻率下，兩端之間才能達到90°（圖2）。圖3所示的架構可用于使用交叉極化，同時(shí)消除波束斜視。
圖1.天線(xiàn)元件的V和H端使用移相器時(shí)的無(wú)非斜視寬帶交叉極化
圖2.天線(xiàn)元件的V和H端使用實(shí)時(shí)延遲時(shí)的無(wú)斜視窄帶交叉極化
圖3.天線(xiàn)元件的V和H端的通用leg和移相器的實(shí)時(shí)延遲可以?xún)?yōu)化波束斜視，并實(shí)現寬帶交叉極化能力。
圖4.1024 (32 × 32)元件陣列分為16個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列由8 × 8個(gè)元件組成。
TTD覆蓋范圍由最低工作頻率下，整個(gè)陣列中相距最遠的兩個(gè)元件之間的最大延遲ΔtMAX決定。根據公式5，圖4所示的陣列示例的TTD覆蓋約2.45ns。
在不需要交叉極化時(shí)，是否能使用TTD取代天線(xiàn)元件中的PS，需要考慮幾點(diǎn)。這種覆蓋意味著(zhù)很高的損耗，且很難適應天線(xiàn)間距。在給定的覆蓋范圍內，使用6位相位PS的分辨率會(huì )帶來(lái)一些設計挑戰，且會(huì )導致TTD中設置多個(gè)延遲級。
如果分辨率保持不變，通過(guò)減少覆蓋范圍來(lái)消除這些缺陷，那么在超過(guò)該覆蓋范圍時(shí)（使用公式4計算等效相位），則會(huì )歸零，然而波束斜視特性會(huì )消失。
這種快速分析表明，即使在不需要交叉極化時(shí)，在每個(gè)天線(xiàn)元件中使用PS，然后在子陣列的通用leg中使用TTD，這種結構非常有效。圖4中的TTD還是需要相同的覆蓋范圍，但現在它們用于匹配子陣列之間相對較大的時(shí)間延遲，因此其分辨率要求相對于每個(gè)天線(xiàn)元件中的TTD有所放寬。
將相控陣分為子陣列可以降低系統的成本和復雜性，但會(huì )導致更高的掃描損耗，且會(huì )降低波束轉向分辨率。通過(guò)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(huì )更高。從子陣列的大小這點(diǎn)來(lái)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(gè)天線(xiàn)元件中采用實(shí)時(shí)延遲是為了實(shí)現無(wú)寬帶斜視操作，每個(gè)天線(xiàn)元件的V和H端使用移相器，則是為了實(shí)現寬帶交叉極化操作。
如果不需要交叉極化，且目標是實(shí)現完全無(wú)斜視操作，則應采用基于TTD的設計。隨著(zhù)頻率增大，增加PS有助于滿(mǎn)足QSLL目標，但會(huì )影響無(wú)斜視操作。
如果需要交叉極化，那么天線(xiàn)的每個(gè)極化端都應連接完全一樣的單個(gè)PS，且在工作帶寬上實(shí)現嚴格的90°相移。在PS的通用leg上增加TTD有助于消除波束斜視。
無(wú)論是否需要交叉極化，在子陣列結構中，在天線(xiàn)元件中使用PS，然后在子陣列的通用leg中使用TTD，這會(huì )是一種經(jīng)濟高效的解決方案。注意，可以在數字域中實(shí)現TTD功能，所有數字設計都可以消除TTD和PS，但這會(huì )導致系統成本升高。
在深入研究ESA設計面臨的無(wú)數挑戰之前，了解單獨使用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一個(gè)重要部分，該架構具有更好的SWaP-C，可以滿(mǎn)足系統要求。
ADI公司提供豐富的解決方案、平臺和產(chǎn)品組合，適用于各種應用中的所有模擬、數字和混合波束成形ESA，且能夠為整個(gè)信號鏈提供定制功率解決方案。
關(guān)于A(yíng)DI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)在現代數字經(jīng)濟的中心發(fā)揮重要作用，憑借其種類(lèi)豐富的模擬與混合信號、電源管理、RF、數字與傳感技術(shù)，將現實(shí)世界的現象轉化成有行動(dòng)意義的洞察。ADI服務(wù)于全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，在工業(yè)、通信、汽車(chē)與消費市場(chǎng)提供超過(guò)7.5萬(wàn)種產(chǎn)品。ADI公司總部位于馬薩諸塞州威明頓市。更多信息請訪(fǎng)問(wèn)：http://www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Bilgin Kiziltas于2019年加入ADI公司，擔任現場(chǎng)應用工程師。他于2010年獲得伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位，并于2013年獲得中東科技大學(xué)電子工程系（RF、微波、雷達和天線(xiàn)課程）碩士學(xué)位。在加入ADI之前，他在A(yíng)selsan擔任了9年的RF設計工程師。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
