介紹X波段相控陣探測(cè)平臺(tái)—“相位器”

本文深入探討ADI公司剛剛發(fā)布的一款新型相控陣探索平臺(tái)：EVAL-CN0566-RPIZ，通常稱為“相位器”。相位器將使我們離更實(shí)用的相控陣系統(tǒng)更近一步。它的功能集將允許對(duì)波束成形和雷達(dá)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這是我們無法用2元素冥王星數(shù)字波束成形器涵蓋的原理。

為什么我們需要波束成型器？

對(duì)于那些不熟悉這個(gè)主題的人，我應(yīng)該從快速解釋什么是波束形成器以及為什么你可能想要一個(gè)開始。關(guān)于這兩個(gè)話題可以說很多！但很快：目標(biāo)是在不物理移動(dòng)天線的情況下操縱天線“波束”。

但是現(xiàn)在想象一下，掃描已經(jīng)完成，不是通過機(jī)械移動(dòng)天線，而是通過電動(dòng)轉(zhuǎn)向波束。 這將使我們能夠快速（幾乎立即）將光束定位到我們想要的任何位置。甚至可以創(chuàng)建多個(gè)天線波束，每個(gè)天線波束都集中在不同的目標(biāo)上。

波束成型器如何工作？

好的，現(xiàn)在我們想要一個(gè)波束成型器。但是我們?nèi)绾沃圃煲粋€(gè)呢？基本概念是在陣列中設(shè)置多個(gè)天線（在一條線上或沿二維平面間隔），然后延遲每個(gè)天線元素的計(jì)時(shí)，以便它們?cè)谝粋€(gè)方向上建設(shè)性地求和，并在所有其他方向上破壞性地求和。這個(gè)概念并不像聽起來那么難，這篇博客文章涵蓋了這個(gè)概念。

但是，雖然基本概念很容易理解，但實(shí)現(xiàn)起來可能很困難。了解電動(dòng)可控陣列（ESA）出現(xiàn)的所有問題可能需要一生的研究！我認(rèn)為學(xué)習(xí)這個(gè)主題的最好方法是物理構(gòu)建一個(gè)并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。ADI公司的設(shè)計(jì)師Paul Brokaw曾經(jīng)說過：“仿真將回答你提出的問題。實(shí)驗(yàn)室將回答您不知道要問的問題。

介紹相位器！

那么我們?nèi)绾伍_始學(xué)習(xí)和試驗(yàn)波束成形器呢？ADALM-PLUTO希望能讓我們對(duì)波束成形器的操作有所了解。但僅憑兩個(gè)要素，我們只能做這么多。

移相器是一個(gè) 8 元件接收陣列，帶有兩個(gè)開關(guān)發(fā)射器。 它 通常在 10-10.5 GHz 的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，但通過連接到您自己的外部天線，它可以在 8 到 14 GHz 的任何地方運(yùn)行。 整個(gè)系統(tǒng)的框圖如下所示：

相位器內(nèi)部有什么？

接收天線陣列集成到移相器的PCB中。8 個(gè)接收天線中的每一個(gè)都是一排 4 個(gè)獨(dú)立天線元件的總和。因此，我們最終得到一個(gè) 8 元素、線性、均勻間隔的天線陣列。

這8個(gè)接收天線中的每一個(gè)都使用常用的ADAR10波束成形器芯片在RF頻率（即~1000 GHz）下單獨(dú)調(diào)整增益和相位。ADAR1000同時(shí)能夠發(fā)送和接收。但為了保持相位器的成本較低，我們只實(shí)現(xiàn)了接收部分。ADAR1000的目的是調(diào)整每個(gè)元件接收信號(hào)的相位和增益，以便我們可以將信號(hào)連貫地組合到我們想要控制天線的方向。

然后，兩個(gè)ADAR1000的輸出由非常通用的ADALM-PLUTO進(jìn)行數(shù)字化。但是由于冥王星的最大頻率是6 GHz，我們必須首先從10 GHz混頻到冥王星的頻率范圍內(nèi)。這可通過 LTC5548 混頻器實(shí)現(xiàn)。由于我們使用混頻器，因此需要一個(gè)頻率源來驅(qū)動(dòng)混頻器的LO端口。該LO使用ADF4159 PLL和HMC735 VCO在移相器的PCB上生成。ADF4159可以產(chǎn)生調(diào)頻“線性調(diào)頻”。我們不需要啁啾聲來進(jìn)行基本的波束成形，但是當(dāng)我們談?wù)搶⑾辔黄饔糜诶走_(dá)應(yīng)用時(shí)，它們將非常有用。

相位器還可以在兩個(gè)端口上傳輸 10-10.5 GHz 波形：OUT1 和 OUT2。但是，這些是交換端口 - 而不是接收端那樣的相位同步通道。切換通道允許我們構(gòu)建一種稱為“虛擬陣列”的東西 - 希望我們將在以后的博客中介紹。

將所有這些結(jié)合在一起，就形成了一個(gè)緊湊且易于使用的相控陣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：

在相位器上學(xué)到的所有知識(shí)都可以應(yīng)用于更真實(shí)的波束成形解決方案，如ADI公司的X波段相控陣開發(fā)人員套件或Quad MxFE開發(fā)平臺(tái)。

結(jié)論

在接下來的幾篇博客文章中，我將進(jìn)一步探討如何使用相位器來試驗(yàn)各種波束成形原理： 光柵瓣、光束斜視、單脈沖跟蹤、零轉(zhuǎn)向、FMCW 雷達(dá)、雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)等。我將展示Phaser如何成為ESA設(shè)計(jì)的自然開端，并允許從創(chuàng)新到原型設(shè)計(jì)再到生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

審核編輯：郭婷