先进技术为新型相控阵雷达架构铺平道路

数字波束成形相控阵技术的大量普及已经 近年来出现。这项技术是由两国军方催生的。 和商业应用，以及射频集成的快速发展 在组件级别。

尽管有很多关于大规模MIMO和汽车雷达的讨论，但它 不应忘记，最近的大多数雷达发展和波束成形 研发一直在国防工业中，现在正在适应 商业应用。当相控阵和波束成形从 研发努力在 2000 年代成为现实，新一波以国防为重点的阵列是 现在预期，通过工业技术提供的解决方案实现 以前成本过高。

通用波束成形相控阵信号流如图2所示。 元素的数量是在系统架构师级别选择的，基于 关于孔径尺寸、功率和天线方向图要求。前端 模块位于每个天线元件后面。

图2.通用波束成形相控阵信号流。

模拟波束成形层位于前端模块后面。在古典 相控阵，模拟波束成形子系统结合了所有 集中式接收器通道的元素。每个元素的数字 波束成形相控阵具有波形发生器和接收器 在每个前端模块后面，模拟波束成形层是 消除。在当今的许多系统中，某种程度的模拟波束成形是 常见。波形发生器和接收器通道用于转换 数字数据到工作频段射频频率。数字波束成形是 首先均衡通道，然后应用相移 和 ADC 数据的幅度权重，然后是 跨阵列的 ADC 数据。可以同时形成许多光束， 仅受数字处理能力的限制。

ADI公司为波束成形系统的每个部分提供解决方案 图示，适用于模拟和数字波束成形架构。

模拟与数字波束成形挑战

数字波束成形相控阵的目标是同时 为一组接收器数据生成多个天线方向图。 图3显示了某个元件处的天线方向图，组合 子阵列中的元素，以及天线级别的波束成形数据。

图 3：数字波束成形天线方向图。

子阵列方法的主要障碍是波束成形 数据必须在子数组的模式内。对于单个子阵列， 不能以不同的角度生成同步模式。它 最好消除模拟波束形成器并产生 每个元素的数字波束成形系统以及当今的技术， 现在，这在 L 波段和 S 波段是可能的。在更高的频率、尺寸和 功率限制通常需要一定程度的模拟波束成形。 然而，追求仍然是接近元素数字波束成形， 这对波形发生器提出了很高的要求 和接收器。

波束成形挑战对波形提出了要求 发电机和接收器减小尺寸和功率，同时有一个 需要增加大多数系统应用程序的带宽。这些目标 相互对抗，因为增加带宽通常需要 额外的电流和额外的电路复杂性。

数字波束成形依赖于分布式波束的相干添加 波形发生器和接收器通道。这放置了额外的 多通道和系统同步的挑战 噪声贡献的分配。

射频信号链

表 1 显示了一些最常用的接收器架构 今天。超外差、直接采样和直接转换 架构构成了大多数射频系统的基础。虽然只有 图中显示了接收器，拓扑结构也适用于波形发生器 信号链

超外差方法，已经存在了一百年 多年来，经过充分验证并提供卓越的性能。 不幸的是，它也是最复杂的。它通常需要 相对于可用功率最大，物理占用空间最大 带宽和频率规划在总体上可能非常具有挑战性 分数带宽。

直接抽样方式长期以来一直受到追捧，障碍 以与直接射频相称的速度运行转换器 采样并实现大输入带宽。

如今，转换器可用于在更高的奈奎斯特中直接采样 L 波段和 S 波段的波段。此外，进展仍在继续 C波段采样即将实现，X波段采样也将随之而来。

直接转换架构提供最有效的数据利用 转换器带宽。数据转换器在第一奈奎斯特， 性能最佳，低通滤波更容易。二 数据转换器协同工作，对I/Q信号进行采样，从而增加 用户带宽，没有交错的挑战。主要挑战 多年来一直困扰着直接转换架构 一直保持I/Q平衡，以获得可接受的镜像抑制水平，LO 漏电和直流偏移。近年来，先进的集成 整个直接转换信号链，结合数字校准， 克服了这些挑战，以及直接转换架构 在许多系统中都是一种非常实用的方法。这里 在ADI公司，我们不断推进面向所有人的技术 所述的信号链选项。未来将带来增加的带宽 和更低的功耗，同时保持高水平的性能，以及 在片上系统 （SoC） 或系统中集成完整的信号链 封装 （SiP） 解决方案。

数据转换器数字辅助

数据转换器模拟性能将继续提高，这些 模拟级的改进将包括提高采样率 实现更宽的带宽、增加的通道数和维护密钥 噪声、密度和线性度的性能指标。这些好处将 驱动上述所有RF信号链解决方案，帮助实现新的分阶段 阵列解决方案。

在系统级别上越来越重要的一个领域是最近增加的 许多可用于卸载的数字功能（如图4所示） FPGA处理和帮助整个系统。最近发布的数据 转换器包括数字下变频和滤波，这可能 降低 FPGA 的数据速率，降低系统功耗和 FPGA 处理要求。新兴的ADI公司数据转换器将 继续添加功能，例如均衡和前面的功能 数字波束成形处理结束。

图4.嵌入式数字功能减轻了 FPGA 处理的负担

模拟波束成形

在高频或低功率系统中，每个元件系统都是 受到尺寸和功率要求的挑战。模拟波束成形的使用 减少波形发生器和接收器的数量 需要数字化的渠道。

相控阵天线的模拟波束成形是通过调整来实现的 信号在各个元素中的相位，以引导方向 辐射图或光束。图5a显示了通用模拟波束成形 例。波束的发射/接收均配有移相器 转向，许多元素组合成一个输出。数字 图5b显示了一个功能等效的示例，其中移相器 和衰减器对于发射器和接收器路径都是通用的 通过微波开关启用。后面的拓扑减少了数量 需要移相器和衰减器，但可能需要更频繁的频率 命令更新到设备。

图5.模拟波束成形。

为了克服单个子阵列的约束，多个子阵列可以 使用拓扑生成，如图 6 所示。

图6.多子阵列模拟波束成形架构。

在这种拓扑中，低噪声放大器（LNA）输出被分成多路 模拟波束成形器，其中N个单元可以产生M个单元 模拟子阵列波束。每个模拟波束成形器都编程为 不同的天线方向图。通过在 阵列，数字波束成形模式可以在广泛不同的位置创建 角度。此拓扑是一种混合体系结构，可以 提供每个元素数字系统的优势，但减少 波形发生器和接收器计数。在这种情况下，权衡是 模拟波束成形器的复杂性。

传统的模拟波束成形器需要单一功能 每个天线的砷化镓移相器和单功能砷化镓衰减器 元素。更先进的方法集成了移相器和 衰减器到单个砷化镓前端IC，包括功率 放大器 （PA）、LNA 和开关。ADI公司集成模拟 波束成形器芯片在SiGe BiCMOS中实现了显著集成 技术，将四个通道集成到单个 IC 中，并具有 占用空间更小，功耗更低。

前端模块

前端模块，有时称为发送/接收 （T/R） 模块， 提供天线元件的接口。前端模块是 在发射功率和效率以及接收器方面至关重要 噪声。高功率放大器 （HPA） 设置输出功率。The LNA 建立系统噪声性能。许多系统需要规定 用于校准或附加过滤器，以及示例前端模块 框图如图7所示。

图7.前端模块框图示例。

总结

数字波束成形相控阵现在很常见，并且迅速普及 预计具有广泛的频率和架构 从L波段发展到W波段。

ADI公司利用SiGe实现新系统开发 波束成形器、微波变频器、前端模块和 高速转换器。我们的波束成形解决方案与我们的 功率放大器、低噪声放大器和开关技术使能 ADI公司将成为市场上唯一的天线到比特供应商， 为客户复杂的系统问题提供优化的解决方案 在半导体和集成子系统级别。

审核编辑：郭婷