Bilgin Kiziltas

本文概述兩種電子波束成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：移相器(PS)和實(shí)時(shí)延遲(TTD)。人們認(rèn)為，可以在混合波束成形架構(gòu)中組合使用這兩種方法，以提供更好的SWaP-C和復(fù)雜程度相對(duì)較低的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

簡(jiǎn)介

電子掃描陣列(ESA)使用PS或TTD或兩者的組合，在陣列的轉(zhuǎn)向角限值內(nèi)使匯聚波束指向目標(biāo)方向。用于實(shí)現(xiàn)錐形波束的可調(diào)衰減器也可以被視為波束成形元件。本文探討在相同的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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

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(diào)諧，即可保持在基于系統(tǒng)要求設(shè)定的目標(biāo)性能指標(biāo)內(nèi)的頻段。

TTD在該頻率范圍內(nèi)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(xiàn)波束斜視效應(yīng)。所以，對(duì)于高IBW應(yīng)用，基于TTD的ESA更加方便。

PS在其工作頻率范圍內(nèi)具有恒定的相位；因此，在整個(gè)系統(tǒng)中，特定的移相器設(shè)置會(huì)導(dǎo)致在不同的頻率下產(chǎn)生不同的波束轉(zhuǎn)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(xiàn)象被稱為波束斜視，可以使用公式1計(jì)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(hào)頻率。

使用公式1，我們可以計(jì)算出在最壞情況下，即低頻率邊緣（載波頻率為3 GHz，瞬時(shí)信號(hào)頻率為2.9 GHz）下，±30°波束轉(zhuǎn)向角系統(tǒng)的Δθ約為1.15°，信號(hào)頻率為3 GHz，IBW為100 MHz。在最壞情況下，將波束轉(zhuǎn)向角調(diào)節(jié)到±60°，將IBW調(diào)節(jié)到200 MHz，會(huì)導(dǎo)致約8.11°的波束斜視。很明顯，即使在雷達(dá)應(yīng)用中，TTD也是更合適的選擇?？梢哉f(shuō)，相比TTD，PS的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和成本優(yōu)勢(shì)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(tǒng)要求，那么在相同的信號(hào)鏈中使用PS合理嗎？

為了驗(yàn)證，我們對(duì)一個(gè)32 × 32（正方形）的ESA進(jìn)行試驗(yàn)，其天線元件之間的柵距(d)為d = λ/2，工作頻率范圍為8 GHz至12 GHz，掃描角度為±60°，且假定所有場(chǎng)景（圖4）都符合EIRP標(biāo)準(zhǔn)。

在本例中，根據(jù)公式2中給出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(duì)應(yīng)的系統(tǒng)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?cái)?shù)，θB表示同一軸上的波束寬度（單位為度）。

即使在很小的掃描角度下，波束寬度值也遠(yuǎn)大于波束角分辨率，將PS與TTD串聯(lián)可以補(bǔ)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(tǒng)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(xiàn)更低的量化旁瓣水平(QSLL)，而不是為了實(shí)現(xiàn)更高的波束角分辨率。隨著頻率升高，相比根據(jù)所需的相位分辨率設(shè)計(jì)PS，根據(jù)所需的時(shí)間分辨率設(shè)計(jì)TTD來(lái)滿足目標(biāo)QSLL標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)更加困難；因此，可以將PS和TTD組合使用，不但可以達(dá)到目標(biāo)QSLL標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)計(jì)具有交叉極化能力的系統(tǒng)時(shí)，可以減輕波束斜視。交叉極化是通過(guò)在天線元件的V端和H端之間設(shè)置90°相移來(lái)產(chǎn)生的。在要求的交叉極化帶寬內(nèi)，使兩端之間的相移盡可能接近90°有助于實(shí)現(xiàn)出色的交叉極化隔離，以保證良好運(yùn)行?；赑S的ESA在頻率范圍內(nèi)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(dá)到90°（圖2）。圖3所示的架構(gòu)可用于使用交叉極化，同時(shí)消除波束斜視。

圖1. 天線元件的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. 天線元件的V和H端的通用leg和移相器的實(shí)時(shí)延遲可以優(yōu)化波束斜視，并實(shí)現(xiàn)寬帶交叉極化能力。

TTD覆蓋范圍由最低工作頻率下，整個(gè)陣列中相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)元件之間的最大延遲ΔtMAX決定。根據(jù)公式5，圖4所示的陣列示例的TTD覆蓋約2.45 ns。

在不需要交叉極化時(shí)，是否能使用TTD取代天線元件中的PS，需要考慮幾點(diǎn)。這種覆蓋意味著很高的損耗，且很難適應(yīng)天線間距。在給定的覆蓋范圍內(nèi)，使用6位相位PS的分辨率會(huì)帶來(lái)一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，且會(huì)導(dǎo)致TTD中設(shè)置多個(gè)延遲級(jí)。

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(jì)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)天線元件中使用PS，然后在子陣列的通用leg中使用TTD，這種結(jié)構(gòu)非常有效。圖4中的TTD還是需要相同的覆蓋范圍，但現(xiàn)在它們用于匹配子陣列之間相對(duì)較大的時(shí)間延遲，因此其分辨率要求相對(duì)于每個(gè)天線元件中的TTD有所放寬。

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。

將相控陣分為子陣列可以降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，但會(huì)導(dǎo)致更高的掃描損耗，且會(huì)降低波束轉(zhuǎn)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(duì)波束斜視效應(yīng)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(biāo)顯然是重要的考量因素。

結(jié)論

在每個(gè)天線元件中采用實(shí)時(shí)延遲是為了實(shí)現(xiàn)無(wú)寬帶斜視操作，每個(gè)天線元件的V和H端使用移相器，則是為了實(shí)現(xiàn)寬帶交叉極化操作。

如果不需要交叉極化，且目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)完全無(wú)斜視操作，則應(yīng)采用基于TTD的設(shè)計(jì)。隨著頻率增大，增加PS有助于滿足QSLL目標(biāo)，但會(huì)影響無(wú)斜視操作。

如果需要交叉極化，那么天線的每個(gè)極化端都應(yīng)連接完全一樣的單個(gè)PS，且在工作帶寬上實(shí)現(xiàn)嚴(yán)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(jié)構(gòu)中，在天線元件中使用PS，然后在子陣列的通用leg中使用TTD，這會(huì)是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。注意，可以在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)TTD功能，所有數(shù)字設(shè)計(jì)都可以消除TTD和PS，但這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本升高。

在深入研究ESA設(shè)計(jì)面臨的無(wú)數(shù)挑戰(zhàn)之前，了解單獨(dú)使用TTD或PS與將二者組合使用之間的差異是規(guī)劃系統(tǒng)級(jí)波束成形架構(gòu)的一個(gè)重要部分，該架構(gòu)具有更好的SWaP-C，可以滿足系統(tǒng)要求。

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審核編輯：郭婷