【導讀】相控陣天線(xiàn)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向角度內的所需方向。本文將介紹這兩種方法，以及更寬帶寬的天線(xiàn)陣列是如何推動(dòng)真時(shí)延在其系統設計中的應用。
相控陣天線(xiàn)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向角度內的所需方向。本文將介紹這兩種方法，以及更寬帶寬的天線(xiàn)陣列是如何推動(dòng)真時(shí)延在其系統設計中的應用。
指向正確的方向
相控陣天線(xiàn)無(wú)需物理移動(dòng)天線(xiàn)即可改變輻射波束的形狀和方向。這些天線(xiàn)通過(guò)獨特的排列方式組成一個(gè)更大的陣列，將每個(gè)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精確控制信號，如下圖所示。
隨著(zhù)當前相控陣系統的帶寬增加以擴展其應用范圍和靈活性，更寬的帶寬給系統帶來(lái)了挑戰，影響了波束的相移。由于這一趨勢，許多AESA系統需要真時(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
相控陣天線(xiàn)的大小與工作頻率成反比。因此，頻率越高，天線(xiàn)振子的間距就越小。對于較低頻率的應用，情況則相反。
那么，如何實(shí)現波束轉向呢？對于傳統窄帶陣列，我們使用移相器在給定頻率下轉換所需的信號延遲。在相控陣天線(xiàn)中，每個(gè)天線(xiàn)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，可以引導陣列的波束方向，從而在相關(guān)的角度形成波束。
例如，假設我們有兩個(gè)天線(xiàn)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(xiàn)振子上使用移相器，可以引導波束改變其方向，從而提高天線(xiàn)效率。
在下圖中，我們可以看到天線(xiàn)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)圖的測量數據。
以下是兩種常用的相控陣天線(xiàn)系統：
? 無(wú)源電子掃描陣列（PESA）——所有天線(xiàn)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(xiàn)，每個(gè)天線(xiàn)振子都有專(zhuān)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(xiàn)，其每個(gè)天線(xiàn)振子均由微控制器單獨控制的發(fā)射器驅動(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(xiàn)電信號。
隨著(zhù)高性能和高分辨率系統的開(kāi)發(fā)，對波形帶寬的要求也在增加。這對于傳統上使用移相器進(jìn)行波束方向控制的AESA來(lái)說(shuō)是一個(gè)問(wèn)題，因為波束會(huì )隨頻率變化而產(chǎn)生傾斜?？梢允褂靡韵鹿接嬎悴ㄊ鴥A斜角度。
對于這些具有較寬瞬時(shí)帶寬的波形和較窄波束寬度的應用，波束傾斜可能足以使波束偏離目標，從而影響信號質(zhì)量、準確性和分辨率。
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，在陣列的轉向角度范圍內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(xiàn)中引導波束，并有助于提高窄帶系統的效率。移相器在市場(chǎng)上占據主導地位，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用，因為寬帶移相更加困難，且常伴隨著(zhù)插入損耗增加和在整個(gè)工作頻率帶寬內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(cháng)度差異小于一個(gè)波長(cháng)。移相器在每個(gè)天線(xiàn)振子處引導波束，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會(huì )發(fā)生失真或“傾斜”，如下圖所示。隨著(zhù)新型、更寬帶寬陣列系統的出現，波束傾斜問(wèn)題變得更為突出；真時(shí)延單元則可以用于減輕這種傾斜效應。
時(shí)延單元能夠提供多個(gè)波長(cháng)的相移，且相移與頻率嚴格成正比。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(zhù)減少了波束傾斜，從而提高了更寬帶寬范圍內的雷達圖像分辨率。
真時(shí)延 MMIC
時(shí)延可以通過(guò)多種方式實(shí)現，如同軸電纜、光纖、微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)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(kāi)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(cháng)可以通過(guò)切換不同的路徑組合來(lái)生成。參考線(xiàn)和時(shí)延元件通常使用不同長(cháng)度的傳輸線(xiàn)來(lái)創(chuàng )建。隨著(zhù)線(xiàn)路長(cháng)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改善整體時(shí)延平坦度。
近年來(lái)半導體技術(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，這對于高頻陣列應用非常有用。此外，還可以考慮使用不同的半導體技術(shù)，如CMOS、GaAs和MEMS，以幫助優(yōu)化某些應用的性能要求。
主要結論
對于當今的寬帶陣列天線(xiàn)應用而言，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，或者如何將二者結合使用，是提升AESA系統級性能的關(guān)鍵。
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