深度解析怎么利用时延解决方案最大化相控阵功能
在之前关于真时延单元的文章《。精准指向的艺术：真时延技能深度解析。》中，咱们评论了真时延技能怎么在有源电子扫描阵列（AESA）体系中作业，以及完成时延的一些办法；如单片。微波。集成电路。（MMIC）、微带线和带状线。其间，MMIC因其体积小、本钱低而最为常用。
在现代。通讯。、雷达和相控阵体系中，时延单元（TDU）是完成准确。信号。发射和接纳的根本组件。。这些单元保证多个。天线。元件之间的信号同步，关于优化波束成形、方向性和间隔分辨率等功能方针无足轻重。本文将评论TDU在相控阵体系中的人物、它们与天线功能的联系，以及不同的规划考量怎么影响体系功率。评论还将深化到TDU与移相器的集成、真时延技能，以及波束宽度、扫描角和阵列尺度之间的联系。
相控阵体系与时延单元。
相控阵体系广泛运用于雷达、通讯体系和卫星盯梢等需求定向信号发射及接纳的运用中。。典型的相控阵由单元阵列子阵构成，每个阵列子阵包含多个天线元件及相关电子设备，如波束成形集成电路（BFIC）和。射频。（。RF。）前端模块。这些阵列子阵一般按2x2方阵等装备摆放，以便依据需求扩展全体阵列的尺度及功能，如图1所示。
图1，以2x2阵列子阵方阵构建的相控阵。
相控阵有用运转的要害在于能够操控每个天线元件接纳或发射信号的相对时序。。这正是TDU的效果地点；它们经过在信号途径中引进受控时延，以保证阵列中信号的正确时序，然后促进相干波束成形并改进信号的方向性。接下来，让咱们评论一下相控阵体系的首要功能方针。
相控阵的品质因数：EIRP和G/T。
相控阵体系中两个要害的功能方针是。等效全向辐射功率（EIRP）。和。增益温度比（G/T）。；其间，EIRP衡量发射机功率，而G/T评价接纳机的灵敏度。EIRP丈量天线阵列在特定方向上的有用辐射功率，这关于在传输过程中完成满意的信噪比（SNR）非常要害。另一方面，G/T是衡量阵列灵敏度的方针，在接纳过程中尤为重要。以下是核算这些功能方针所用的数学公式。
相关于各向同性天线的分贝值（dBi）是一个衡量单位，用于描绘与一起向一切方向辐射的各向同性辐射器比较，天线在单一方向上的辐射功率巨细。这两者间的差异称为。天线增益。，以dBi办法的数值表明。
图2，各向同性天线与定向天线阵列。
EIRP和G/T都与阵列的辐射功率和增益直接相关，而这些又取决于。放大器。功能、天线规划和波束成形技能。。天线阵列和波束成形技能进步了体系的方向性；但跟着方向性的添加，波束宽度也随之变窄，然后给坚持满意的瞬时带宽带来应战。此刻，工程人员有必要细心评价体系级的权衡要素，以优化规划。
波束成形与阵列规划的权衡。
天线阵列一般选用。均匀线性阵列（ULA）。或。均匀矩形阵列（URA）。装备进行规划；在这两种规划中天线元件别离沿一个或两个轴等距散布。波束成形技能经过将发射或接纳的信号聚集在一个特定方向（称为抵达方向，DOA）来进步阵列的方向性。
图3，均匀线性阵列与均匀矩形阵列的比较。
相控阵体系的首要规划权衡之一在于波束宽度与方向性间的取舍。阵列巨细和天线元件数量在此权衡中起要害效果。跟着元件数量的添加，波束宽度变得更窄，然后进步方向性和增益。但是，过窄的波束宽度或许约束阵列的才能，无法在不明显下降体系瞬时带宽的情况下捕获来自广泛方向的信号。
天线阵列的最小波束宽度有必要保证瞬时带宽大于所需信号带宽，以坚持信号的完整性和功能。天线阵列的波束宽度受阵列巨细和最大扫描视点的影响。跟着阵列尺度的增大，尤其是天线元件数量翻倍时，波束宽度会变窄，然后使信号发射和接纳愈加聚集。这种聚集增强了阵列的方向性——大约可翻倍或添加3dB，如图4所示。这种联系关于完成相控阵体系的最佳功能至关重要，其间波束成形和信号方向性是必不可少的。
图4，图示波束宽度 vs 元件数量 vs 相对方向性。
瞬时带宽与波束宽度。
天线阵列的瞬时带宽有必要大于所需信号带宽，以保证阵列能够包容整个信号而不会明显衰减。例如，在雷达体系中，脉冲宽度（Td）决议了所需信号带宽（Bs），较短的脉冲宽度可供给更好的测距分辨率，但会下降最大勘探规模。因而，较短的脉冲宽度可进步测距分辨率，然后更简单且更准确地区别互相接近的方针。
阵列的波束宽度与阵列中的元件数量（N）和扫描视点（θs）有关。关于在最大频率为10GHz且信号带宽为1.。5G。Hz条件下作业的ULA，阵列最多能够支撑16个振子，并且在最大扫描视点为60度时不会明显影响信号质量。阵列的波束宽度能够进一步依据波长（λ）、阵列巨细和扫描视点进行核算。
例如，在一个最大频率为10GHz的ULA中，Bs=1.5GHz，最大扫描角（θs，max）=60°，则该天线在不明显下降信号质量的情况下，最多可具有16个阵列振子。
此外，阵列的波束宽度能够经过以下公式界说：
运用上述方程，咱们能够界说不同阵列尺度波束宽度和扫描视点之间的联系，如下图所示。
图5：不同阵列尺度和扫描视点下的波束宽度。
现在咱们有了确认所需带宽、阵列巨细和最大扫描视点的数据，以满意体系要求。
确认ULA体系中的真时延。
在波束成形体系中，移相器和时延单元都被用来操控信号在阵列振子间的途径。移相器经过改动信号的相位来引导波束指向特定方向；时延单元则在信号中引进真推迟，来取得更准确的操控，尤其是在宽带情况下。。
天线阵列的最小波束宽度有必要具有大于所需信号带宽的瞬时带宽。跟着阵列尺度的添加和扫描视点的扩展，这一要求变得尤为要害。TDU引进真时延而非相位移动，能够完成更准确的波束操控，特别是关于宽带信号。
运用下图6中的图表，咱们能够确认ULA体系所需的时间推迟。
图6，不同阵列尺度和扫描视点下的波束宽度。
一个典型6位移相器的最低有用位（LSB）为5.625°。大约需求τ min = 75ps（皮秒）的LSB时延来代替一个5.625 LSB移相器。依据图6和下面的方程，关于一个具有60°最大扫描角的16振子ULA，一共需求650ps的时间推迟。针对更大的阵列或更宽的扫描角，也能够将多个TDU级联起以完成所需的推迟。
波束形成器IC装备中的时延单元类型。
AESA天线能够运用。移相器。或。TDU。来操控信号波束；每种办法都有不同的权衡。TDU更适合于具有较大瞬时带宽的体系。；因为其经过在整个频率规模内坚持稳定的相位斜率来避免波束失真（即波束歪斜）。比较之下，移相器坚持稳定的相位。，但在不同频率下或许导致不同的波束导向视点，因而更适合于较窄带宽的体系。
移相器近似时间推迟，在。中心。频率上完成最佳波束操控，但在较高频率下或许导致欠转向，在较低频率下则呈现过转向。尽管移相器本钱更低且运用广泛，但它们或许在宽带运用中发生波束歪斜。
有些架构一起选用TDU和移相器来缓解这一问题，将两者的优势结合起来，如图7右侧所示。工程人员在决议选用哪种办法时，有必要考虑体系要求，如阵列尺度和带宽。在某些情况下，在阵列振子上运用移相器、在部分振子后方安置TDU的混合解决方案或许就满意了；而更大的阵列或宽带运用则或许需求在每个天线振子上都装备TDU。
图7，四通道AESA阵列子阵。
时延单元拓扑结构。
时延单元的完成办法多种多样，包含开关延时线、传输线，以及电感（L）和。电容。（C）元件。规划人员会归纳考虑各种权衡要素，挑选最佳的拓扑结构以满意规划要求。拓扑结构的挑选取决于体系的详细要求，包含所需的延时规模、精度以及阵列的物理尺度。
TDU选用多级结构（由比特位表明）来操控时间推迟。根据开关的TDU规划具有更低的噪声和损耗，但需求更大的裸片尺度，有时乃至比人工传输线（ATL）规划大三倍。但是，ATL规划因为其人工结构，往往会形成更多的噪声和损耗。
在雷达运用领域，扫描视点起着要害效果；其根据详细运用需求，决议了体系终究应针对近间隔方针检测，仍是远间隔方针检测进行优化。TDU用于调整脉冲宽度，然后影响检测规模。举例来说，2ps（皮秒）的时延可包容较短的脉冲宽度，适用于检测较近的物体；而4ps的时延则适用于较长的脉冲，能够检测较远的物体。下表展现了在精细和大略形式下，每一比特位所代表的皮秒级时延。每个运用都需求特定的时延；例如在精细形式下，TDU供给2ps的最小时延和254ps的最大时延；在大略形式下，TDU可供给高达508ps的最大时延。
表1，比特位与时延的对应联系（精细形式 vs 大略形式）。
定论。
时延单元是现代相控阵体系中的要害组件，供给了精细波束成形和提高体系功能所需的准确操控。不管独自运用仍是与移相器结合运用，TDU在雷达、通讯体系、卫星盯梢等运用中均发挥着不可或缺的效果，有助于完成所需的波束宽度、方向性和信号带宽。
时延单元的规划和施行触及多个方面的权衡，包含阵列尺度、扫描视点和带宽。经过精心挑选恰当的TDU拓扑和装备，体系规划人员能够在满意日益杂乱宽带运用需求的一起优化功能。