一種新型路徑共享真時延波束合成架構的設計

黨艷杰，梁煜，張為

（天津大學 微電子學院，天津300072）

多波束合成天線陣列已經廣泛應用于雷達、射電天文和衛星通信等寬帶無線通信中[1]。在接收信號時，有用信號方向相長干涉，而在其他角度信號相消干涉，接收機的靈敏度被明顯提高。多波束合成技術可以產生多個同時存在，方向各自獨立的高增益波束，通過多個波束共同作用實現一定區域范圍的覆蓋，提高靈活性[2-3]。在無線通信中，多路信號干擾是不可避免的，并且限制了通信的質量，因此平穩、精確的群延時對相控陣來說極其重要。

窄帶相控陣中，不同方向的入射波到達每個天線的相位差較小，采用移相器調整固定的相位就能使得接收端信號同相加強[4-5]。但是，超寬帶通信系統采用短時脈沖進行信號傳輸，產生了寬帶頻率響應[2，6-7]，使用移相器則會導致形成的波束產生偏移，影響系統的性能。因此，需采用真時延單元取代移相器來實現超寬帶信號的建設性疊加[6-9]。基于真時延單元的傳統波束合成架構有許多，比如，Brute-force架構和 Blass架構[6，10-11]，在四入四出時，總延時數均為 48τ。Chu和 Hashemi[12]提出的路徑共享真時延結構，通過對延時單元的復用，總延時數為24τ。雖然均適用于超寬帶通信系統，但是由于大的延時時間會占用大量芯片面積。

本文提出一種新型路徑共享真時延波束合成架構，總延時數僅為20τ，較現有波束合成架構有很大提升，進一步提高了延時復用程度，降低了芯片面積。同時，該架構具有良好的中心對稱性和可擴展性。基于新型波束合成架構設計并實現四入四出波束合成器，在0.5～1.5 GHz頻帶內，能夠對超帶寬信號合成疊加，具有面積小、集成度高、方向性好等優點。

1 系統架構

圖1所示為本文提出的新型波束合成架構。低噪聲放大器放置在多波束矩陣的前端，對來自空間的信號進行放大并降低噪聲，緩沖放大器補償插入損耗并起到隔離作用，通過控制延時路徑長短產生精確延時，對每個天線的RF信號進行一定延時，彌補信號到達天線的延時差，在輸出端口合成并增強RF信號。圖2（a）、圖2（b）展示了來自空間中的RF信號入射到天線陣列后的流動情況。信號從天線1、2、3、4到輸出端口1的延時分別為 2τ、3τ、4τ、5τ，相鄰天線間的延時差是 τ；信號從天線1、2、3、4到輸出端口2的延時分別為0τ、3τ、6τ、9τ，相鄰天線間的延時差是 3τ。因此，來自某一固定方向的RF信號可以通過線性天線陣列在輸出端口進行同相相干疊加，來自其他方向的RF信號被破壞性疊加。相鄰天線間的延時差τ：τ=（d sinθ）／c （1）式中：θ為入射角度；d為天線間距；c為光速。本文考慮系統尺寸和工作頻率，選擇10.5 cm的天線間距。因此，本文提出的具有80 ps和240 ps延時的波束合成器能夠提供±43°和±13°四個方向的掃描角度。

圖1 新型波束合成架構Fig.1 New beamformer architecture

該新型多波束架構具有可擴展性，如圖3所示，支持2M個天線輸入和2K個波束輸出，每條橫向延時線由2K-1個Mτ組成，縱向延時線由（2K-1）τ組成，通過橫向和縱向延時線產生精確時延進而實現相鄰天線到輸出端口的恒定延時差，從而對相干信號進行同相疊加。具有中心對稱性，在多輸入多輸出時，利于版圖合理布局，減小面積消耗。

圖2 新型波束合成架構信號流向圖Fig.2 Signal flow diagram of new beamformer architecture

圖3 新型波束合成架構的可拓展性Fig.3 Extensibility of new beamformer architecture

2 電路結構

2.1 低噪聲放大器

采用噪聲抵消技術的寬帶低噪聲放大器降低噪聲，提高增益以及減弱后級模塊噪聲的影響。低噪聲放大器左右對稱，半電路等效電路圖如圖4所示，在半電路等效電路中，噪聲抵消原理[13-15]是利用共源并聯反饋，晶體管 M1的熱噪聲在電阻R1和Rs間分壓，使得節點 Y和節點X的噪聲電壓比為

式中：Vx，noi與 Vy，noi是同相的。然 而，只要滿足gm1R1＞1，有用信號在節點X和節點Y的電壓是反相的。Vx分別經過M4與M7共源反相放大輸出，Vy經過M6共漏同相變換輸出，輸出端的有用信號為

式中：Vx，sig和 Vy，sig分別為圖 4中節點 X和節點 Y的信號電壓值。

M1的熱噪聲電壓在輸出端為

式中：gm4與gm7分別為晶體管M4與晶體管M7的跨導。只要R1、gm4與gm7的值調整的合適，M1的熱噪聲電壓會在輸出端被成功抵消。此外，晶體管M1和M2采用了電流復用技術，能夠降低功耗。

低噪聲放大器的S參數如圖5所示，可以很明顯看出，在頻帶0.5～1.5 GHz范圍內，噪聲性能較好，噪聲系數NF≤3.8 dB。輸入端口的反射系數≤-12 d B，可實現與源阻抗的良好匹配，功率增益穩定，為8.5 dB±0.5 dB。

圖4 低噪聲放大器半電路等效電路圖Fig.4 Equivalent half circuit diagram of low noise amplifier

2.2 真時延架構

圖5 低噪聲放大器的仿真結果Fig.5 Simulation results of low noise amplifier

真時延技術包括有源方式 Gm-RC、Gm-C全通濾波器[16-17]與無源方式傳輸線、LC網絡等。本文提出的路徑共享波束合成架構是對稱的，信號能雙向流動。延時單元也應滿足對稱性與雙向性，所以本次設計采用無源LC延時。由于無源LC真時延單元的頻率特性，阻抗的變化會引起延遲響應的波動。因此，輸入和輸出阻抗應該匹配到50Ω，以保證在0.5～1.5 GHz實現穩定的群延時。本文采用的真時延架構[6]如圖 6（a）和圖6（b）所示。與傳統的 LC梯形傳輸線相比，在滿足相似的群延時基礎上，該LC真時延單元所用電容數目明顯降低，有效地降低面積[6]。插入損耗是不可避免的，可以采用高Q電感盡可能減小插入損耗。

基本延時單元等效電路圖如圖6（c）所示，等效成并聯的2個二端口網絡，導納矩陣分別表示為Y1和Y2，則基本延時單元的導納矩陣為Y=Y1＋Y2。

圖6 真時延架構和等效網絡Fig.6 True-time-delay architecture and equivalent network

式中：ω為角頻率；C1、C2和L1、L2為電容和電感值。

S21參數可表示為

式中：Z0為特性阻抗，群延時GD為

綜合考慮級間匹配等多種因素，優化參數C1、C2、L1和 L2，能得到所需的群延時。

2.3 緩沖放大器

真時延單元的插入損耗會降低電壓增益，因此為了獲得較大且平坦度高的增益，需要進行增益補償。本文采用的緩沖放大器如圖7所示，晶體管M1、電阻R1和電感L組成共源結構以補償在高頻時的增益下降，共漏結構起到阻抗變換的作用。圖8是緩沖放大器增益與輸出端口反射系數的仿真結果，可以看出在0.5～1.5 GHz范圍內，增益隨頻率的增加而增大，有效補償了插入損耗帶來的增益衰減。輸出端口反射系數＜-35 dB，可以很好地實現與真時延單元的匹配。同時，緩沖放大器有很好的隔離作用，使各個端口之間不會相互影響。

圖8 緩沖放大器的仿真結果Fig.8 Simulation results of buffer amplifier

3 版圖設計與仿真結果

本文提出的波束合成器版圖如圖9所示，在所有端口添加了靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）保護電路，包含 I／O焊盤與 ESD的版圖尺寸為3.69 mm×3.62 mm。采用 HHNEC 0.18μm CMOS工藝。使用 Cadence Spectre RF仿真器進行后仿真。在供電電壓為1.8 V時，功耗為544 mW。工作頻率為0.5～1.5 GHz，圖10表明輸入端口的反射系數S11和輸出端口反射系數S22，反射系數均低于 -11 d B。對于同一端口輸出，不同路增益隨著延時路徑延長而逐漸減小，因為較大的延時導致較大的插入損耗，但圖11表明四輸入到輸出1和2的總增益，在整個帶寬中幾乎是恒定的。整體增益約為26 dB，增益起伏不超過3 dB。在輸出1和2上，每個波束的群延時仿真如圖12所示，相鄰波束的時延差分別為80 ps和240 ps。由于結構的中心對稱性，到輸出3的群延時與到輸出1的群延關系為：IO11=IO43、IO21=IO33、IO31=IO23、IO41=IO13。到輸出4的群延時與到輸出2的群延時關系同理。圖13是用仿真數據在MATLAB中生成的波束合成器的輻射圖。其中，同心圓數值表示輸出信號的幅度值，單位是V。從圖中明顯看出，隨著工作頻率的增加，天線陣的方向性更好。實現了空間信號的同相疊加增強。

圖9 波束合成器版圖Fig.9 Layout of beamformer

圖10 波束合成器S11與S22仿真結果Fig.10 Simulated S11 and S22 of beamformer

圖11 波束合成器總增益仿真結果Fig.11 Simulated total gain of beamformer

圖12 波束合成器群延時仿真結果Fig.12 Simulated group delay of beamformer

圖13 波束合成器方向性仿真結果Fig.13 Simulated direction of beamformer

表1為本文提出的波束合成器與近幾年來報道的幾種性能優良的波束合成器的主要性能對比，本文采用無源LC實現延時，由于提出的波束合成架構路徑高度共享，中心對稱性強，所以與同種延時方式相比面積優勢明顯。采用有源Gm-C全通濾波器實現延時，能夠具有很好的面積優勢，但是存在功耗大的問題。綜上所述，本文提出的波束合成器克服了功耗大的問題，實現了小面積，達到了良好的綜合性能。

表1 本文與其他文獻的波束合成器性能對比Table 1 Performance comparison with other references of beamformer

4 結 論

1）本文提出了一種新型路徑共享真時延波束合成架構，通過對真時延單元共享節省了芯片面積。此外，該架構結構具有中心對稱性，可擴展性等特點。

2）在此基礎上，基于HHNEC 0.18μm CMOS工藝設計了一種全集成四入四出波束合成器，工作頻段為0.5～1.5 GHz。延時分辨率為80 ps、最大延時為720 ps。

3）在天線間距為10.5 cm的情況下，波束合成器能夠提供±43°和±13°四個掃描角度。方向性好，能夠很好地對空間信號疊加合成。

4）具有低成本、高集成和小面積等特點，綜合性能良好，適用于雷達、射電天文和衛星通信等多輸入輸出寬帶無線通信系統。