真正的時間延遲和移相器

本文回顧了兩種電子波束成形技術的優缺點：移相器（PS）和真時間延遲（TTD）。它認為這兩種方法可以結合在混合波束成形架構中，以提供更好的SWaP-C和相對不那么復雜的系統設計。

介紹

電子掃描陣列（ESA）利用PS或TTD或兩者的混合，將求和的光束指向陣列轉向角限制內的所需方向。用于錐形的可調衰減器也可以被視為波束成形元件。本文討論同一ESA中TTD和PS之間的分層方法在何處以及如何有助于緩解一些相控陣設計挑戰。

利用基本公式探索可能的方案

瞬時帶寬 （IBW） 可以定義為無需調諧即可保持在系統要求設定的目標性能標準內的頻帶。

TTD 在頻率范圍內表現出恒定的相位斜率;因此，使用 TTD 而不是 PS 實現的 ESA 沒有光束斜視效應。因此，基于TTD的ESA對于高IBW應用更方便。

PS在其工作頻率范圍內表現出恒定的相位;因此，整個系統中的特定移相器設置會導致不同頻率的光束轉向角不同。因此，與基于 TTD 的陣列相比，基于 PS 的陣列的 IBW 往往更窄。

這種現象稱為光束斜視，可以使用公式1計算，其中Δθ是峰值斜角，θ0是最大光束角，f0是載波頻率，f是瞬時信號頻率。

使用公式1，我們可以計算出，對于±3 GHz和100 MHz IBW的3 GHz信號，在最壞情況下，即在低頻邊緣（載波在3 GHz和瞬時信號在2.9 GHz）的Δθ約為1.15°。將波束偏向角更改為 ±60°，將 IBW 更改為 200 MHz，在最壞的情況下會導致大約 8.11° 的波束斜視。很明顯，即使在雷達應用中，TTD也是更好的選擇?？梢哉f，移相器在ESA中的主導地位可以用以下事實來解釋：PS由于其設計簡單性和相對于TTD的成本優勢而具有更廣泛的市場可用性。

如果我們有一個滿足系統要求的TTD，那么在同一信號鏈中使用PS怎么可能合理？

為了進行調查，將檢查一個 32 × 32 平方 ESA，天線元件之間具有 d = λ/2 晶格間距 （d），希望在 8 GHz 和 12 GHz 之間工作，掃描角為 ±60°，并假設所有場景都滿足 EIRP 標準（圖 4）。

在本例中，方位角和仰角的系統波束寬度在視線（θ = 0°）時?為3.17°，在最大掃描角度（θ = 60°）下為?6.35°，公式2中給出的均勻線性陣列的半功率波束寬度近似公式，其中N是一個軸上的單元數，θB是同一軸上的波束寬度（以度為單位）。

最大光束角分辨率θRES_MAX當在每個天線元件后面使用 6 位 5.6° LSB PS 時，該陣列在一個維度上約為 ? 0.056°，公式 3 約為 0.056°。

通過用于時移轉換的公式4，大約需要1.3 ps LSB TTD來取代5.6° LSB PSs，使其在12 GHz時具有0.056°波束角分辨率。

即使在非常小的掃描角度下，波束寬度值也遠大于光束角分辨率，并且將PS與TTD放在同一線上以補償光束角分辨率會給系統帶來額外的光束斜視和光束角分辨率下降。實際上，具有更精細TTD分辨率的原因是具有較低的量化旁瓣電平（QSLL），而不是具有更精細的光束角分辨率。隨著頻率的提高，設計具有所需時間分辨率以滿足目標QSLL標準的TTD變得比設計具有所需相位分辨率的PS相對困難;因此，PS可以成為TTD的伴侶，以實現目標QSLL，同時仍具有可接受的光束斜視水平

在同一ESA中實現PS和TTD的另一個原因可能是在設計具有交叉極化能力的系統時減輕光束斜視。交叉極化是通過在天線元件的 V 和 H 饋電之間設置 90° 相移產生的。確保在所需的交叉極化帶寬上饋電之間盡可能接近90°的差異對于獲得良好的交叉極化隔離以實現健康操作至關重要。由于在頻率范圍內具有恒定的相位，因此基于 PS 的 ESA 具有寬帶交叉極化能力（圖 1），而基于 TTD 的 ESA 只能在單個頻率下在饋電之間具有 90°（圖 2）。圖3中的架構可用于應用交叉極化，同時緩解光束斜視。

圖1.非斜視寬帶交叉極化，在天線元件的 V 和 H 饋電后面使用移相器。

圖2.無斜視窄帶交叉極化，天線元件的 V 和 H 饋電后有真正的時間延遲。

圖3.天線元件 V 和 H 饋電后面的公共支腿和移相器具有真正的時間延遲，以優化波束斜視，同時具有寬帶交叉極化能力。

TTD 覆蓋范圍由最大延遲 Δt 設定.MAX在整個陣列的最遠元素之間以最低的工作頻率。根據公式5，圖4中的示例陣列約為2.45 ns。

當人們考慮在每個天線元件后面使用 TTD 而不是不需要交叉極化時，需要考慮幾件事。這種覆蓋范圍意味著非常高的損耗，并且可能難以實現以適應天線間距。在給定的覆蓋范圍下，具有6位相位PS的分辨率會帶來一些設計挑戰，并且需要將許多延遲級放入TTD。

如果保持分辨率并降低覆蓋范圍以減輕這些缺點，那么當超過覆蓋范圍時，必須回繞到零（通過公式4計算相位等效），但具有諷刺意味的是，光束斜視特征將丟失。

這種快速分析表明，即使不需要交叉極化，每個天線元件上的PS和子陣列公共支腿處的TTD也很有用。圖4中的TTD再次需要具有相同的覆蓋范圍，但與TTD相比，這一次在每個天線元件情況下的分辨率要求有所放松，因為現在它們用于對齊子陣列之間相對較大的時間延遲。

圖4.1024（32×32）元素數組劃分為16個子數組，由8×8個元素組成。

將相控陣分解為子陣列分區可降低系統的成本和復雜性，但代價是更高的掃描損耗和更低的聲束控制分辨率。通過具有更寬的波束寬度，子陣列對光束斜視效應的容忍度更高，因為它們具有更寬的波束寬度。很明顯，波束斜視和波束寬度目標是考慮子陣列大小的重要指標。

結論

寬帶無斜視操作需要每個天線元件后面的真實時間延遲，寬帶交叉極化操作需要每個天線元件的每個 V 和 H 饋電后面的移相器。

如果不需要交叉極化并且針對完全無斜視操作，則應遵循基于TTD的設計。隨著頻率的增加，添加PS可能有助于實現QSLL目標，以換取妥協的無斜視操作。

如果需要交叉極化，則天線的每個極化饋電后應遵循單獨但相同的 PS，其工作帶寬上方的 90° 差很小。在PS的共同腿上添加TTD可能有助于減輕光束斜視。

無論是否需要交叉極化，在天線元件后面安裝PS的子陣列架構，然后在子陣列的公共支腿處安裝TTD，都可能是一種經濟高效的解決方案。請注意，TTD功能可以在數字域中實現，所有數字設計都可以消除TTD和PS，但代價是更高的系統成本。

在深入研究ESA設計的無數挑戰之前，了解使用TTD或PS與串聯使用它們之間的差異是規劃系統級波束成形架構的重要組成部分，該架構通過更好的SWaP-C滿足系統要求。

審核編輯：郭婷