技術(shù)資訊 I 一文了解相控陣天線中的真時(shí)延

本文要點(diǎn)

真時(shí)延是寬頻帶相控陣天線的關(guān)鍵元素之一。

真時(shí)延通過在整個(gè)信號(hào)頻譜上應(yīng)用可變相移來消除波束斜視現(xiàn)象。

在相控陣中使用時(shí)延單元或電路板，以提供波束控制和相移

市場(chǎng)越來越需要更快、更可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，而寬帶通信系統(tǒng)正在努力滿足這一需求。帶寬越高，通信數(shù)據(jù)速率就越快。但是，在寬帶通信中，由于信號(hào)在寬頻譜上的分布，發(fā)射和接收信號(hào)都很困難。

天線技術(shù)已經(jīng)得到廣泛調(diào)整，以解決首要的頻譜問題。相控陣天線是眾多解決方案之一，具有高效率、電子波束賦形、空間分集功能和高信噪比 (SNR) 等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

移相器用于引導(dǎo)相控陣天線中的波束，以提高窄帶通信系統(tǒng)的效率。“波束傾斜”的現(xiàn)象限制了寬頻帶相控陣天線的移相器性能。真時(shí)延可以在整個(gè)信號(hào)頻譜上應(yīng)用可變相移，從而消除這種波束傾斜現(xiàn)象，使其成為寬頻帶相控陣天線的關(guān)鍵技術(shù)。

波束傾斜現(xiàn)象

波束傾斜指的是相控陣天線中的波束轉(zhuǎn)向角發(fā)生了一種隨頻率變化的變形。在相控陣天線中，所有陣列部件使用相同的相移，就會(huì)產(chǎn)生波束傾斜現(xiàn)象，即頻譜的低端和高端的相移差異會(huì)使波束從一端指向另一端。由真時(shí)延電路提供的可變相移可以減少波束傾斜，有助于實(shí)現(xiàn)高分辨率。

如何減少波束傾斜？

選擇性波束控制可以通過一組時(shí)延線來實(shí)現(xiàn)。將時(shí)延線從最短到最長(zhǎng)排列，可以提供必要的轉(zhuǎn)向精細(xì)度和所需的波束轉(zhuǎn)向。通過仔細(xì)設(shè)置真時(shí)延，可以應(yīng)用適當(dāng)?shù)南嘁?，使之與相控陣天線的信號(hào)頻譜相匹配。

如果要求在一維陣列天線中對(duì)垂直的長(zhǎng)方形波束進(jìn)行方位轉(zhuǎn)向，可以在每一列子陣列之間放置真時(shí)延。在二維陣列天線中，也可以引入真時(shí)延。對(duì)于單一的轉(zhuǎn)向方案，可以在各個(gè)組件之間使用一個(gè)固定的時(shí)延線。光學(xué)版真時(shí)延方法也可用于可變相移。

真時(shí)延單位

在相控陣中使用真時(shí)延單元或電路板，以提供波束控制和相移。傳統(tǒng)的時(shí)延單元是具有量化延遲的交換式延遲線。當(dāng)放置在陣列元件或子陣列的信號(hào)路徑中時(shí)，這些時(shí)延線引入了特定的時(shí)延。然而，切換后的真時(shí)延在參考單元和真時(shí)延單元之間產(chǎn)生了插入損耗，而且損耗隨著頻率的增加而增加。

真時(shí)延技術(shù)助力寬帶通信系統(tǒng)提供更快速的通信連接。

如今，真時(shí)延可以通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn)：

交換線路

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS)

微電子機(jī)械 (MEMS)

砷化鎵 (GaA)

基于 MEMS、CMOS 和砷化鎵的真時(shí)延單元屬于 trombone 走線或有源分布式配置類時(shí)延。此外，市場(chǎng)上還有單片微波集成電路芯片 (MMIC)，可以引入特定的或編程的時(shí)延。

一般來說，時(shí)延單元是一個(gè)具有特殊功能的移相器，在子陣列層面上使用。它的基本功能是利用多路徑結(jié)構(gòu)提供一個(gè)特定的時(shí)間延遲。與移相器相比，真正的延遲單元能夠提供多種相移波長(zhǎng)，而且相移與頻率有關(guān)。這使得由時(shí)延單元形成的頻譜兩端的群延遲差在所需帶寬上是平坦的。這種群延遲的平坦化減少了波束傾斜，提高了帶寬。

用于寬帶相控陣天線的基于 CMOS 的真時(shí)延由真時(shí)延電路 (TTD)、數(shù)字步進(jìn)式衰減器 (ATT) 電路、寬帶分布式增益放大器 (WDGA) 和一個(gè)串行外設(shè)接口（SPI）組成。人工傳輸線、單刀雙擲開關(guān) (SPDT) 和雙刀雙擲開關(guān) (DPDT) 用于衰減器和時(shí)間延遲塊。一個(gè)具有正增益的寬帶增益放大器對(duì)系統(tǒng)中的插入損耗進(jìn)行補(bǔ)償。基于 CMOS 的真時(shí)延單元設(shè)計(jì)緊湊，成本低，適合用于寬頻帶相控陣天線。

波束傾斜降低了寬帶通信頻譜的傳輸和接收效率，不利于建立更快的通信網(wǎng)絡(luò)。真時(shí)延可以通過提供可變相移來減少波束傾斜，是寬帶相控陣天線的一個(gè)關(guān)鍵因素。在相控陣天線中使用真時(shí)延單元引入精確的時(shí)間延遲，可以改善系統(tǒng)帶寬和波束控制，搭建更快的通信網(wǎng)絡(luò)。