【導(dǎo)讀】相控陣天線通過(guò)移相器、真時(shí)延或二者的組合，使合成波束更精確地指向陣列轉(zhuǎn)向角度內(nèi)的所需方向。本文將介紹這兩種方法，以及更寬帶寬的天線陣列是如何推動(dòng)真時(shí)延在其系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
相控陣天線通過(guò)移相器、真時(shí)延或二者的組合，使合成波束更精確地指向陣列轉(zhuǎn)向角度內(nèi)的所需方向。本文將介紹這兩種方法，以及更寬帶寬的天線陣列是如何推動(dòng)真時(shí)延在其系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
指向正確的方向
相控陣天線無(wú)需物理移動(dòng)天線即可改變輻射波束的形狀和方向。這些天線通過(guò)獨(dú)特的排列方式組成一個(gè)更大的陣列，將每個(gè)獨(dú)立振子的信號(hào)疊加，以提升增益性能，并在陣列的波束指向角度范圍內(nèi)精確控制信號(hào)，如下圖所示。
隨著當(dāng)前相控陣系統(tǒng)的帶寬增加以擴(kuò)展其應(yīng)用范圍和靈活性，更寬的帶寬給系統(tǒng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，影響了波束的相移。由于這一趨勢(shì)，許多AESA系統(tǒng)需要真時(shí)延技術(shù)來(lái)消除更大帶寬情況下的波束傾斜。我們將在接下來(lái)的部分深入探討這一點(diǎn)。
相控陣背景知識(shí)
相控陣天線的大小與工作頻率成反比。因此，頻率越高，天線振子的間距就越小。對(duì)于較低頻率的應(yīng)用，情況則相反。
那么，如何實(shí)現(xiàn)波束轉(zhuǎn)向呢？對(duì)于傳統(tǒng)窄帶陣列，我們使用移相器在給定頻率下轉(zhuǎn)換所需的信號(hào)延遲。在相控陣天線中，每個(gè)天線振子都可以饋入不同的移相器。因此，通過(guò)改變每個(gè)振子之間的相移，可以引導(dǎo)陣列的波束方向，從而在相關(guān)的角度形成波束。
例如，假設(shè)我們有兩個(gè)天線振子，它們之間的距離為“d”，如下圖所示。這兩個(gè)振子之間的相移會(huì)改變波束方向。在另一個(gè)天線振子上使用移相器，可以引導(dǎo)波束改變其方向，從而提高天線效率。
在下圖中，我們可以看到天線陣列中的波形指向會(huì)在給定角度上形成一個(gè)主波瓣，并最小化旁波瓣。我們還可以看到這些波瓣的相位角和場(chǎng)圖的測(cè)量數(shù)據(jù)。
以下是兩種常用的相控陣天線系統(tǒng)：
? 無(wú)源電子掃描陣列（PESA）——所有天線振子共用一個(gè)發(fā)射/接收模塊。
? 有源電子掃描陣列（AESA）——使用相控陣天線，每個(gè)天線振子都有專用的發(fā)射/接收模塊。
深入了解AESA
AESA作為第二代相控陣天線，其每個(gè)天線振子均由微控制器單獨(dú)控制的發(fā)射器驅(qū)動(dòng)，這使得AESA比PESA更為先進(jìn)，能夠同時(shí)向不同方向發(fā)送多個(gè)頻率的無(wú)線電信號(hào)。
隨著高性能和高分辨率系統(tǒng)的開發(fā)，對(duì)波形帶寬的要求也在增加。這對(duì)于傳統(tǒng)上使用移相器進(jìn)行波束方向控制的AESA來(lái)說(shuō)是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)椴ㄊ鴷?huì)隨頻率變化而產(chǎn)生傾斜。可以使用以下公式計(jì)算波束傾斜角度。
對(duì)于這些具有較寬瞬時(shí)帶寬的波形和較窄波束寬度的應(yīng)用，波束傾斜可能足以使波束偏離目標(biāo)，從而影響信號(hào)質(zhì)量、準(zhǔn)確性和分辨率。
AESA —— 移相器 vs 真時(shí)延
AESA使用移相器、時(shí)延電路，或二者的組合，在陣列的轉(zhuǎn)向角度范圍內(nèi)將信號(hào)波束指向所需方向。
如下圖所示，移相器用于在相控陣天線中引導(dǎo)波束，并有助于提高窄帶系統(tǒng)的效率。移相器在市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位，在兩個(gè)狀態(tài)之間提供固定的插入相位差。它們通常用于帶寬較低的應(yīng)用，因?yàn)閷拵б葡喔永щy，且常伴隨著插入損耗增加和在整個(gè)工作頻率帶寬內(nèi)的相位精度降低等問(wèn)題。這兩種狀態(tài)在時(shí)延上僅略有不同，路徑長(zhǎng)度差異小于一個(gè)波長(zhǎng)。移相器在每個(gè)天線振子處引導(dǎo)波束，但不提供真時(shí)延。如果沒(méi)有這種真時(shí)延，波束在較大頻率范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生失真或“傾斜”，如下圖所示。隨著新型、更寬帶寬陣列系統(tǒng)的出現(xiàn)，波束傾斜問(wèn)題變得更為突出；真時(shí)延單元?jiǎng)t可以用于減輕這種傾斜效應(yīng)。
時(shí)延單元能夠提供多個(gè)波長(zhǎng)的相移，且相移與頻率嚴(yán)格成正比。這使得兩個(gè)狀態(tài)之間的群時(shí)延差異能夠在整個(gè)頻率帶寬內(nèi)產(chǎn)生平坦的相位。
從上面的圖中可以看出，時(shí)間延遲單元在整個(gè)帶寬頻率上顯著減少了波束傾斜，從而提高了更寬帶寬范圍內(nèi)的雷達(dá)圖像分辨率。
真時(shí)延 MMIC
時(shí)延可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，如同軸電纜、光纖、微帶線和帶狀線等。由于尺寸緊湊且成本效益高，使用MMIC的電子方法更為流行。如上圖所示，典型的多比特位時(shí)延單元包括開關(guān)、時(shí)延元件和均衡器，以形成參考路徑和時(shí)延路徑。整體延遲范圍和延遲步長(zhǎng)可以通過(guò)切換不同的路徑組合來(lái)生成。參考線和時(shí)延元件通常使用不同長(zhǎng)度的傳輸線來(lái)創(chuàng)建。隨著線路長(zhǎng)度的增加，插入損耗和頻率也會(huì)增加。均衡器通常用于在頻率范圍內(nèi)改善整體時(shí)延平坦度。
近年來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和建模技術(shù)的進(jìn)步使得能夠制造出物理尺寸更小的時(shí)延電路，這對(duì)于高頻陣列應(yīng)用非常有用。此外，還可以考慮使用不同的半導(dǎo)體技術(shù)，如CMOS、GaAs和MEMS，以幫助優(yōu)化某些應(yīng)用的性能要求。
主要結(jié)論
對(duì)于當(dāng)今的寬帶陣列天線應(yīng)用而言，需要采用真時(shí)延技術(shù)來(lái)減輕波束傾斜問(wèn)題。如上所述，理解TDU與移相器之間的差異，或者如何將二者結(jié)合使用，是提升AESA系統(tǒng)級(jí)性能的關(guān)鍵。
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