結(jié)合兩種技術(shù)的優(yōu)勢：實時延遲與移相器

Bilgin Kiziltas

本文概述兩種電子波束成形技術(shù)的優(yōu)點和缺點：移相器(PS)和實時延遲(TTD)。人們認為，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和復雜程度相對較低的系統(tǒng)設(shè)計。

簡介

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方向。用于實現(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)計挑戰(zhàn)。

利用基本公式探索可能的使用場景

瞬時帶寬(IBW)可以定義為無需調(diào)諧，即可保持在基于系統(tǒng)要求設(shè)定的目標性能指標內(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實施方案不會出現(xiàn)波束斜視效應(yīng)。所以，對于高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，在整個系統(tǒng)中，特定的移相器設(shè)置會導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表示瞬時信號頻率。

使用公式1，我們可以計算出在最壞情況下，即低頻率邊緣（載波頻率為3 GHz，瞬時信號頻率為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，會導致約8.11°的波束斜視。很明顯，即使在雷達應(yīng)用中，TTD也是更合適的選擇?？梢哉f，相比TTD，PS的設(shè)計簡單和成本優(yōu)勢使其適用于更廣泛的市場，所以ESA主要采用移相器。

如果TTD能夠符合系統(tǒng)要求，那么在相同的信號鏈中使用PS合理嗎？

為了驗證，我們對一個32 × 32（正方形）的ESA進行試驗，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°，且假定所有場景（圖4）都符合EIRP標準。

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表示一個軸上的元素數(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，但會產(chǎn)生額外的波束斜視，也會降低系統(tǒng)的波束角分辨率。實際上，使用分辨率更高的TTD是為了實現(xiàn)更低的量化旁瓣水平(QSLL)，而不是為了實現(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PS，根據(jù)所需的時間分辨率設(shè)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平。

在同一個ESA中同時采用PS和TTD是為了在設(shè)計具有交叉極化能力的系統(tǒng)時，可以減輕波束斜視。交叉極化是通過在天線元件的V端和H端之間設(shè)置90°相移來產(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°有助于實現(xiàn)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(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，只有在單個頻率下，兩端之間才能達到90°（圖2）。圖3所示的架構(gòu)可用于使用交叉極化，同時消除波束斜視。

圖1. 天線元件的V和H端使用移相器時的無非斜視寬帶交叉極化。

圖2. 天線元件的V和H端使用實時延遲時的無斜視窄帶交叉極化。

圖3. 天線元件的V和H端的通用leg和移相器的實時延遲可以優(yōu)化波束斜視，并實現(xiàn)寬帶交叉極化能力。

TTD覆蓋范圍由最低工作頻率下，整個陣列中相距最遠的兩個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，是否能使用TTD取代天線元件中的PS，需要考慮幾點。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的分辨率會帶來一些設(shè)計挑戰(zhàn)，且會導致TTD中設(shè)置多個延遲級。

如果分辨率保持不變，通過減少覆蓋范圍來消除這些缺陷，那么在超過該覆蓋范圍時（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。

這種快速分析表明，即使在不需要交叉極化時，在每個天線元件中使用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較大的時間延遲，因此其分辨率要求相對于每個天線元件中的TTD有所放寬。

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。

將相控陣分為子陣列可以降低系統(tǒng)的成本和復雜性，但會導致更高的掃描損耗，且會降低波束轉(zhuǎn)向分辨率。通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(yīng)的耐受性會更高。從子陣列的大小這點來看，波束斜視和波束寬度目標顯然是重要的考量因素。

結(jié)論

在每個天線元件中采用實時延遲是為了實現(xiàn)無寬帶斜視操作，每個天線元件的V和H端使用移相器，則是為了實現(xiàn)寬帶交叉極化操作。

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

如果需要交叉極化，那么天線的每個極化端都應(yīng)連接完全一樣的單個PS，且在工作帶寬上實現(xiàn)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，這會是一種經(jīng)濟高效的解決方案。注意，可以在數(shù)字域中實現(xiàn)TTD功能，所有數(shù)字設(shè)計都可以消除TTD和PS，但這會導致系統(tǒng)成本升高。

在深入研究ESA設(shè)計面臨的無數(shù)挑戰(zhàn)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(guī)劃系統(tǒng)級波束成形架構(gòu)的一個重要部分，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