实时延迟与移相器，推动相控阵设计的两项关键技术

实时延迟与移相器，推动相控阵设计的两项关键技术

电子扫描阵列(ESA)中会使用移相器(PS)和实时延迟(TTD)或两者的组合，在阵列的转向角限值内使汇聚波束指向目标方向。而用于实现锥形波束的可调衰减器也可被视为波束成形元件。本文将探讨在相同的ESA中，在何处以及如何使用TTD和PS分层方法可以帮助消除一些相控阵设计挑战。

利用基本公式探索可能的使用场景

(相关资料图)

瞬时带宽(IBW)可以定义为无需调谐，即可保持在基于系统要求设定的目标性能指标内的频段。

TTD在该频率范围内具有恒定的相位斜率；因此，使用TTD，而非使用PS的ESA实施方案不会出现波束斜视效应。所以，对于高IBW应用，基于TTD的ESA更加方便。

PS在其工作频率范围内具有恒定的相位；因此，在整个系统中，特定的移相器设置会导致在不同的频率下产生不同的波束转向角。所以，与基于TTD的阵列相比，基于PS的阵列的IBM范围可能更窄一些。

这种现象被称为波束斜视，可以使用公式1计算，其中Δθ表示峰值斜视角，θ0表示最大波束角，f0表示载波频率，f表示瞬时信号频率。

使用公式1，可以计算出在最坏情况下，即低频率边缘（载波频率为3GHz，瞬时信号频率为2.9GHz）下，±30°波束转向角系统的Δθ约为1.15°，信号频率为3GHz，IBW为100MHz。在最坏情况下，将波束转向角调节到±60°，将IBW调节到200MHz，会导致约8.11°的波束斜视。很明显，即使在雷达应用中，TTD也是更合适的选择。可以说，相比TTD，PS的设计简单和成本优势使其适用于更广泛的市场，所以ESA主要采用移相器。

如果TTD能够符合系统要求，那么在相同的信号链中使用PS合理吗？

为了验证，ADI对一个32 × 32（正方形）的ESA进行试验，其天线元件之间的栅距(d)为d = λ/2，工作频率范围为8GHz至12GHz，扫描角度为±60°，且假定所有场景（图4）都符合EIRP标准。

在本例中，根据公式2中给出的均匀线性阵列的半功率波束宽度近似公式，方位角和仰角对应的系统波束宽度分别为≅ 3.17°（视轴，θ = 0°）和≅ 6.35°（最大扫描角，θ = 60°），其中N表示一个轴上的元素数，θB表示同一轴上的波束宽度（单位为度）。

当每个天线元件都使用6位5.6°LSB PS时，根据公式3可以计算得出，该阵列的一维最大波束角分辨率θRES_MAX约为≅ 0.056°。

根据用于时移和相移转换的方程4，在12GHz时，要获得0.056°波束角分辨率，需要使用一个约1.3ps LSB TTD来代替5.6°LSB PS。

即使在很小的扫描角度下，波束宽度值也远大于波束角分辨率，将PS与TTD串联可以补偿波束角分辨率，但会产生额外的波束斜视，也会降低系统的波束角分辨率。实际上，使用分辨率更高的TTD是为了实现更低的量化旁瓣水平(QSLL)，而不是为了实现更高的波束角分辨率。随着频率升高，相比根据所需的相位分辨率设计PS，根据所需的时间分辨率设计TTD来满足目标QSLL标准相对更加困难；因此，可以将PS和TTD组合使用，不但可以达到目标QSLL标准，而且仍然可以保持合理的波束斜视水平。

在同一个ESA中同时采用PS和TTD是为了在设计具有交叉极化能力的系统时，可以减轻波束斜视。交叉极化是通过在天线元件的V端和H端之间设置90°相移来产生的。在要求的交叉极化带宽内，使两端之间的相移尽可能接近90°有助于实现出色的交叉极化隔离，以保证良好运行。基于PS的ESA在频率范围内保持恒定相位，所以具有宽带交叉极性能力（图1），基于TTD的ESA则不同，只有在单个频率下，两端之间才能达到90°（图2）。图3所示的架构可用于使用交叉极化，同时消除波束斜视。

图1.天线元件的V和H端使用移相器时的无非斜视宽带交叉极化

图2.天线元件的V和H端使用实时延迟时的无斜视窄带交叉极化

图3.天线元件的V和H端的通用leg和移相器的实时延迟可以优化波束斜视，并实现宽带交叉极化能力。

图4.1024 (32 × 32)元件阵列分为16个子阵列，每个子阵列由8 × 8个元件组成。

TTD覆盖范围由最低工作频率下，整个阵列中相距最远的两个元件之间的最大延迟ΔtMAX决定。根据公式5，图4所示的阵列示例的TTD覆盖约2.45ns。

在不需要交叉极化时，是否能使用TTD取代天线元件中的PS，需要考虑几点。这种覆盖意味着很高的损耗，且很难适应天线间距。在给定的覆盖范围内，使用6位相位PS的分辨率会带来一些设计挑战，且会导致TTD中设置多个延迟级。

如果分辨率保持不变，通过减少覆盖范围来消除这些缺陷，那么在超过该覆盖范围时（使用公式4计算等效相位），则会归零，然而波束斜视特性会消失。

这种快速分析表明，即使在不需要交叉极化时，在每个天线元件中使用PS，然后在子阵列的通用leg中使用TTD，这种结构非常有效。图4中的TTD还是需要相同的覆盖范围，但现在它们用于匹配子阵列之间相对较大的时间延迟，因此其分辨率要求相对于每个天线元件中的TTD有所放宽。

将相控阵分为子阵列可以降低系统的成本和复杂性，但会导致更高的扫描损耗，且会降低波束转向分辨率。通过提供更宽的波束宽度，子阵列的波束宽度更宽，对波束斜视效应的耐受性会更高。从子阵列的大小这点来看，波束斜视和波束宽度目标显然是重要的考量因素。

结论

在每个天线元件中采用实时延迟是为了实现无宽带斜视操作，每个天线元件的V和H端使用移相器，则是为了实现宽带交叉极化操作。

如果不需要交叉极化，且目标是实现完全无斜视操作，则应采用基于TTD的设计。随着频率增大，增加PS有助于满足QSLL目标，但会影响无斜视操作。