實時延遲與移相器,推動相控陣設(shè)計的兩項關(guān)鍵技術(shù)
電子掃描陣列(ESA)中會使用移相器(PS)和實時延遲(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。而用于實現(xiàn)錐形波束的可調(diào)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(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(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,可以計算出在最壞情況下,即低頻率邊緣(載波頻率為3GHz,瞬時信號頻率為2.9GHz)下,±30°波束轉(zhuǎn)向角系統(tǒng)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(zhuǎn)向角調(diào)節(jié)到±60°,將IBW調(diào)節(jié)到200MHz,會導(dǎo)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,ADI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8GHz至12GHz,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)。
當每個天線元件都使用6位5.6°LSB PS時,根據(jù)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(jù)用于時移和相移轉(zhuǎn)換的方程4,在12GHz時,要獲得0.056°波束角分辨率,需要使用一個約1.3ps LSB TTD來代替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。
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。
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2.45ns。
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(dǎo)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。
將相控陣分為子陣列可以降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性,但會導(dǎo)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(dǎo)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。
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(yīng)用中的所有模擬、數(shù)字和混合波束成形ESA,且能夠為整個信號鏈提供定制功率解決方案。