一種片上同時多波束形成及切換設計方法

陶小輝 李莊 榮大偉 姜力暉 曹銳

摘要：本文介紹了一種面向相控陣的片上同時多波束形成及切換系統(tǒng)設計方法，該方法可根據(jù)后端計算能力自由輸出任意多個波束，實現(xiàn)全空域覆蓋，并研制了原理樣機，暗室測試結果表明可實現(xiàn)同時多波束輸出。

關鍵詞：相控陣，同時多波束，波束切換

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）21-0219-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

靈活的同時多波束形成是相控陣[1]系統(tǒng)是實現(xiàn)探測、成像、通信等重要功能的根本與核心技術，例如目前正在設計中的世界最大射電望遠鏡——平方公里陣列望遠鏡SKA[2]，即是利用大量天線組成超大規(guī)模的數(shù)字陣列，依靠其超大口徑與同時多個獨立敏捷波束，實現(xiàn)全空域巡天、對極弱宇宙信號的超高靈敏度探測以及超高分辨率成像。

美國國防高級研究計劃局（ DARPA）對同時多波束相控陣系統(tǒng)的開發(fā)高度重視，聯(lián)合洛馬公司、雷聲公司等世界頂級研究機構一起探索理想的相控陣列架構。但目前相控陣系統(tǒng)的波束形成方法大多很難實現(xiàn)多波束的孔徑復用，且無法升級擴展，常規(guī)數(shù)字波束形成方案則使得系統(tǒng)研發(fā)成本高昂、體制復雜，難以廣泛應用。

本文研究了一種可靈活升級的片上同時多波束形成及切換設計方法，通過波束形成芯片實現(xiàn)全空域的同時多波束，然后根據(jù)后端計算處理能力，通過波束切換網(wǎng)絡將所需波束提供給后端進行數(shù)字域二次波束形成，不僅具有靈活升級能力，還大幅降低電路面積及功耗，能夠廣泛應用于雷達探測、5G通信、射電天文、遙感成像等領域。

2 系統(tǒng)設計分析

片上同時多波束形成及切換系統(tǒng)框圖如圖1所示，天線輸出的信號經(jīng)過波束形成網(wǎng)絡后輸出16個同時多波束，實現(xiàn)全空域覆蓋，然后16個波束進入波束切換開關芯片，根據(jù)后端計算處理能力選擇輸出任意多個波束。該系統(tǒng)可以將任意方向輸入波束切換至任意輸出端口，這樣既滿足了當前數(shù)字波束形成能力情況下的波束掃描需求，當后續(xù)數(shù)字波束形成能力增強時也可根據(jù)系統(tǒng)處理能力增加輸出波束個數(shù)。

2.1 同時多波束形成芯片設計

同時多波束形成系統(tǒng)由8片波束形成芯片組成兩級延時網(wǎng)絡，實現(xiàn)對二維空間波束信號的合成，其基本單元為4輸入4輸出的波束形成芯片，能夠同時輸出四路不同方向的波束，在方向圖上生成四個波瓣，對空間4個方向的信號做空域濾波處理，實現(xiàn)了有效的預空域濾波處理，減小了后級數(shù)字信號處理部分的數(shù)字域波束形成的設計復雜度以及面積和功耗。

為了實現(xiàn)多波束形成的功能，多波束形成射頻前端芯片在輸入輸出端口反射系數(shù)、空域濾波、增益大小、帶內(nèi)增益平坦度、功耗、線性度等指標上有一些約束。其中輸入輸出端口反射系數(shù)、增益等指標用S參數(shù)衡量，線性度用輸入ldB壓縮點衡量，空域濾波性能用陣列系數(shù)衡量。多波束形成射頻前端芯片的設計指標是根據(jù)實際應用的需求確定的，如表格l所示。

2.2 波束切換開關設計

波束切換電路的主要功能是完成相控陣波束形成網(wǎng)絡輸出的多波束的路徑選擇和切換，它的核心電路為開關陣列。為了滿足波束切換需求，采用了5X5的棋盤結構開關陣列，該結構如圖2所示，在圖中的棋盤結構上有25個開關節(jié)點，他們具有完全相同的結構，其中棋盤結構最外圍帶正方形的節(jié)點被定義為這個開關陣列的輸入端口，帶有圓圈的節(jié)點被定義為開關陣列的輸出節(jié)點，而棋盤結構最中間的一點只作為傳輸信號的節(jié)點。需要說明的是，棋盤結構開關陣列的每一個開關節(jié)點都具有三種工作模式，他們分別是：傳輸信號模式、輸出信號模式、傳輸信號加輸出信號模式。正因為采用了這個具有多種工作模式的單個開關節(jié)點，該棋盤結構的開關陣列才能通過復用開關節(jié)點來實現(xiàn)強大的波束切換能力。

3 集成與測試

研制了寬帶同時多波束形成芯片（圖3）與波束切換開關芯片（圖4），并與天線陣列集成，在暗室中測試同時多波束性能（圖5），實現(xiàn)-45°、-15°、15°、45°同時四波束，如圖6所示。

4 小結

本文將相控陣模擬和數(shù)字相結合進行混合波束形成設計，在減少硬件和功耗成本的同時還可以使得系統(tǒng)的性能損失較少，同時具有靈活升級、可擴充、可重構等特點，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] Wikipedia. Phased Array. Avaijable： http：//en.wikipedia.org/wi-ki/Phased_array.

[2]吳曼青，曹銳，陶小輝，等.世界最大綜合孔徑望遠鏡SKA低頻數(shù)字陣列系統(tǒng)研究[J].中國科學：信息科學，2015，45（12）：1600-1614.

作者簡介：陶小輝（1981-），男，高級工程師，博士在讀，研究方向：主要從事孔徑陣列系統(tǒng)硬件實現(xiàn);李莊（1983-），男，博士，高級工程師，研究方向：硅基MMIC設計;榮大偉（1978-），女，研究生，高級工程師，研究方向：主要從事孔徑陣列系統(tǒng)硬件實現(xiàn);姜力暉（1991-），女，研究生，工程師，研究方向：主要從事孔徑陣列系統(tǒng)研究;曹銳（1976-），男，博士，研究員，研究萬向：雷達陣列技術。