【導(dǎo)讀】相控陣天線通過移相器、真時延或二者的組合，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真時延在其系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用。
相控陣天線通過移相器、真時延或二者的組合，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真時延在其系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用。
指向正確的方向
相控陣天線無需物理移動天線即可改變輻射波束的形狀和方向。這些天線通過獨特的排列方式組成一個更大的陣列，將每個獨立振子的信號疊加，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，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)帶來了挑戰(zhàn)，影響了波束的相移。由于這一趨勢，許多AESA系統(tǒng)需要真時延技術(shù)來消除更大帶寬情況下的波束傾斜。我們將在接下來的部分深入探討這一點。
相控陣背景知識
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。對于較低頻率的應(yīng)用，情況則相反。
那么，如何實現(xiàn)波束轉(zhuǎn)向呢？對于傳統(tǒng)窄帶陣列，我們使用移相器在給定頻率下轉(zhuǎn)換所需的信號延遲。在相控陣天線中，每個天線振子都可以饋入不同的移相器。因此，通過改變每個振子之間的相移，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)我們有兩個天線振子，它們之間的距離為“d”，如下圖所示。這兩個振子之間的相移會改變波束方向。在另一個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在給定角度上形成一個主波瓣，并最小化旁波瓣。我們還可以看到這些波瓣的相位角和場圖的測量數(shù)據(jù)。
以下是兩種常用的相控陣天線系統(tǒng)：
? 無源電子掃描陣列（PESA）——所有天線振子共用一個發(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，其每個天線振子均由微控制器單獨控制的發(fā)射器驅(qū)動，這使得AESA比PESA更為先進(jìn)，能夠同時向不同方向發(fā)送多個頻率的無線電信號。
隨著高性能和高分辨率系統(tǒng)的開發(fā)，對波形帶寬的要求也在增加。這對于傳統(tǒng)上使用移相器進(jìn)行波束方向控制的AESA來說是一個問題，因為波束會隨頻率變化而產(chǎn)生傾斜。可以使用以下公式計算波束傾斜角度。
對于這些具有較寬瞬時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)，從而影響信號質(zhì)量、準(zhǔn)確性和分辨率。
AESA —— 移相器 vs 真時延
AESA使用移相器、時延電路，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。移相器在市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，在兩個狀態(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，因為寬帶移相更加困難，且常伴隨著插入損耗增加和在整個工作頻率帶寬內(nèi)的相位精度降低等問題。這兩種狀態(tài)在時延上僅略有不同，路徑長度差異小于一個波長。移相器在每個天線振子處引導(dǎo)波束，但不提供真時延。如果沒有這種真時延，波束在較大頻率范圍內(nèi)會發(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)，波束傾斜問題變得更為突出；真時延單元則可以用于減輕這種傾斜效應(yīng)。
時延單元能夠提供多個波長的相移，且相移與頻率嚴(yán)格成正比。這使得兩個狀態(tài)之間的群時延差異能夠在整個頻率帶寬內(nèi)產(chǎn)生平坦的相位。
從上面的圖中可以看出，時間延遲單元在整個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。
真時延 MMIC
時延可以通過多種方式實現(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，典型的多比特位時延單元包括開關(guān)、時延元件和均衡器，以形成參考路徑和時延路徑。整體延遲范圍和延遲步長可以通過切換不同的路徑組合來生成。參考線和時延元件通常使用不同長度的傳輸線來創(chuàng)建。隨著線路長度的增加，插入損耗和頻率也會增加。均衡器通常用于在頻率范圍內(nèi)改善整體時延平坦度。
近年來半導(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延電路，這對于高頻陣列應(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
對于當(dāng)今的寬帶陣列天線應(yīng)用而言，需要采用真時延技術(shù)來減輕波束傾斜問題。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)級性能的關(guān)鍵。
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