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数字波束形成相控阵中射频电子的物理尺寸分配

2018-12-13 11:52:44  841 射频 数字波束
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相控阵雷达和有源电子扫描阵列(AESA)已经在航空航天和国防市场上使用和部署了十多年。这一时期的开始主要是模拟波束形成系统,不断向更高水平的数字波束形成过渡。系统工程目标不断地要求接近基本的数字波束形成实现,以获得最大的灵活性和可编程性。
向近元素数字波束形成的迁移带来了许多挑战。所面临的挑战包括校准、数字控制、时钟分配、LO、电源、处理数据量以及电子学的物理尺寸限制。无线工业射频集成电路的大量进步继续使射频设计具有更高水平的集成能力,而现在每个单元数字波束形成阵列的实际实现正在成为现实。
在本文中,我们重点讨论了电子学的物理尺寸要求。讨论了物理尺寸要求与工作频率的关系,并对实际的实现方法进行了评述。
天线单元间距与频率
首先,考虑天线单元间距随频率的变化。为了避免光栅瓣,需要λ/2或更少的单元间距,其中λ是工作频率波长。
偏振分集也正在成为一个理想的系统目标。这一特性提供了规划各种天线极化的能力,包括水平极化、垂直极化或左右圆极化。实现这一特性的天线单元是一个具有两个端口的辐射元件,其中每个端口都有正交极化。通过控制各端口的相对相位和振幅,产生不同的极化。虽然这对系统有很大的好处,但不幸的是,这一特性使所需的天线端口数增加了一倍,并使辅助电子设备变得复杂。

图1显示了单元间距与频率的关系,假设有一个λ/2天线单元间距实现。在概述这些物理尺寸约束的情况下,可以评估天线后面的RF子系统,以评估满足电子信道间距与频率之间所需的实现。



图1.元素间距与频率之比。

表1.选择频率的λ/2间距[td] 频率[td] 3 GHz[td] 10 GHz[td] 30 GHz
单元间距 双极I/O间距
50毫米,2英寸 25毫米,1英寸
15毫米600毫秒 7.5毫米,300毫秒
5毫米200毫升 2.5毫米,100毫秒
波形发生器与接收机信道间距
图2显示了一个模拟设备收发器产品的评估板。这个板子有两个收发器。每个收发器包含两个发射和接收信道(见图3),因此,实现了四个完整的波形发生器和接收器。该电路板还包括一个时钟IC和其他几个I/O功能,用于评估这些部件。



图2.收发信机信道间隔



图3.收发信机生产线包括双波形发生器和接收器。
虽然该板的目的不是为了尽可能高水平的集成,但董事会提供了对波形发生器和接收机部分的实际大小限制的洞察力。从板上可以迅速看出,收发信机产品线支持每个单元的数字天线间距到C波段,并且,通过一些额外的努力,X波段的单元间距可以实现。
接下来,匹配RF上/下变频器的物理大小如图4所示。这个特定的板打算作为双收发信机板的测试板同伴,并且可以再次用于考虑这个RF子系统的实际物理尺寸约束。该板采用标准的低成本方法,使用所有商业上可用的部件。这再次表明,这种类型的实现支持每一个元素的数字天线,直到C波段.如果有向X波段的迁移,那么每一个数字元素都是可能的,从而能够与SIP(包内系统)集成进行进一步的集成。


图4.X-/ku波段射频上/下变频器。
这两个板概述了低成本的商业实现支持数字波束形成相控阵的每一个元素,频率可达C波段。X波段及以上的每个单元实现可以通过进一步的集成来实现,或者作为替代的波束形成集成电路,可以用于相对于单元数减少波形发生器和接收机信道的数量。4:1 X/Ku波段波束形成器正在商业化,是在这些频率下低成本数字波束形成相控阵的一种实用方法。
Ka波段单元间距
接下来,考虑Ka波段天线单元间距,如图5所示.在30 GHz的λ/2间距为5毫米,如图所示,这是相当具有挑战性的电子。然而,在此间距内实现4:1模拟波束形成器是切实可行的。所面临的挑战是物理尺寸限制使额外组件几乎没有机会。这就需要在波束形成封装中包括LNAs或PAS,并需要将无源元件,例如去电容器,埋在PWB中。




图5.Ka波段的物理足迹。
Ka波段卫星系统的一个幸运的设计好处是,大多数系统将发射和接收功能分离成不同的天线。这提供了只设计、发送或只接收针对特定任务优化的波束形成集成电路的机会。
摘要
射频集成电路在无线工业中的不断发展,已经成为数字波束形成相控阵技术扩散的一个有利因素。采用标准PWB技术设计每一个单元的数字波束形成相控阵,其频率可达C波段。在较高频率的X波段,每个元素的数字实现是可行的,但可能需要额外的设计努力,以进一步整合。或者,可以使用4:1模拟波束形成器,为电子设备提供更多的空间,并再次允许标准PWB实现方法。在Ka波段的物理尺寸约束下,这可能成为一种挑战。然而,随着前端电子集成到波束形成器封装中,无论是亚阵列天线结构还是全模拟波束形成系统现在都是可以实现的。



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