波束成形（beamforming or spatial filtering）是(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)陣(zhen)列(lie)中(zhong)用(yong)於(yu)定(ding)向(xiang)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)或(huo)接(jie)收(shou)的(de)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)技(ji)術(shu)。這(zhe)是(shi)通(tong)過(guo)將(jiang)天(tian)線(xian)陣(zhen)列(lie)中(zhong)的(de)元(yuan)件(jian)以(yi)特(te)定(ding)角(jiao)度(du)的(de)信(xin)號(hao)經(jing)曆(li)相(xiang)長(chang)幹(gan)涉(she)而(er)其(qi)他(ta)經(jing)曆(li)相(xiang)消(xiao)幹(gan)涉(she)來(lai)實(shi)現(xian)的(de)。波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)在(zai)發(fa)送(song)端(duan)和(he)接(jie)收(shou)端(duan)都(dou)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)，以(yi)實(shi)現(xian)空(kong)間(jian)選(xuan)擇(ze)性(xing)。工(gong)程(cheng)師(shi)利(li)用(yong)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)技(ji)術(shu)已(yi)經(jing)有(you)相(xiang)當(dang)久(jiu)的(de)曆(li)史(shi)，比(bi)如(ru)使(shi)用(yong)波(bo)束(shu)來(lai)補(bu)償(chang)信(xin)道(dao)衰(shuai)減(jian)的(de)衛(wei)星(xing)通(tong)訊(xun)。衛(wei)星(xing)和(he)地(di)麵(mian)接(jie)收(shou)天(tian)線(xian)的(de)距(ju)離(li)非(fei)常(chang)遠(yuan)，信(xin)道(dao)衰(shuai)減(jian)非(fei)常(chang)大(da)

，於(yu)是(shi)衛(wei)星(xing)信(xin)號(hao)到(dao)達(da)地(di)麵(mian)時(shi)能(neng)量(liang)已(yi)經(jing)非(fei)常(chang)小(xiao)，甚(shen)至(zhi)比(bi)熱(re)噪(zao)聲(sheng)還(hai)要(yao)低(di)。因(yin)此(ci)，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)想(xiang)方(fang)設(she)法(fa)提(ti)高(gao)接(jie)收(shou)衛(wei)星(xing)信(xin)號(hao)能(neng)量(liang)。當(dang)衛(wei)星(xing)的(de)信(xin)號(hao)向(xiang)空(kong)間(jian)全(quan)方(fang)向(xiang)輻(fu)射(she)時(shi)，絕(jue)大(da)多(duo)數(shu)能(neng)量(liang)並(bing)沒(mei)有(you)被(bei)地(di)麵(mian)天(tian)線(xian)接(jie)收(shou)到(dao)，而(er)是(shi)被(bei)浪(lang)費(fei)了(le)。為(wei)避(bi)免(mian)這(zhe)種(zhong)浪(lang)費(fei)，我(wo)們(men)在(zai)接(jie)收(shou)和(he)發(fa)射(she)衛(wei)星(xing)信(xin)號(hao)時(shi)都(dou)會(hui)使(shi)用(yong)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)。這(zhe)樣(yang)，發(fa)射(she)的(de)電(dian)磁(ci)波(bo)信(xin)號(hao)都(dou)集(ji)中(zhong)在(zai)一(yi)個(ge)方(fang)向(xiang)上(shang)
，隻(zhi)要(yao)接(jie)收(shou)天(tian)線(xian)能(neng)對(dui)準(zhun)這(zhe)個(ge)方(fang)向(xiang)，就(jiu)可(ke)以(yi)大(da)大(da)提(ti)高(gao)接(jie)收(shou)的(de)衛(wei)星(xing)信(xin)號(hao)能(neng)量(liang)。

 

相控陣天線的beamforming技術（如圖1描述）
，我們可以線性或二維地對N個ge天tian線xian陣zhen列lie進jin行xing波bo束shu賦fu形xing配pei置zhi，並bing以yi電dian子zi的de方fang式shi，智zhi能neng地di控kong製zhi陣zhen列lie中zhong每mei個ge單dan獨du天tian線xian的de幅fu度du和he相xiang位wei激ji勵li，以yi產chan生sheng指zhi向xiang所suo需xu方fang向xiang的de波bo束shu。在zai物wu理li結jie構gou固gu定ding不bu變bian的de情qing況kuang下xia，相xiang控kong陣zhen天tian線xian能neng夠gou快kuai速su無wu慣guan性xing的de進jin行xing波bo束shu成cheng形xing和he波bo束shu掃sao描miao。

 

圖1  

 

針對衛星通信領域的相控陣係統
，技術型授權分銷商Excelpoint世健公司的工程師Rain Cai向我們介紹了一款世健代理的ADI公司的相控陣beam-forming集成化芯片，可以為廣大衛星通信客戶提供新一代的係統化解決方案（如圖2）。該係統方案包含天線前端的多通道幅相控製集成套片ADAR1000、上線變頻混頻器LTC5548/LTC5549、本振PLLVCO集成芯片ADF5356/ADF5610
、低頻2T/2R 收發集成套片ADRV9009。相比傳統的超外差方式
，節省數十顆芯片就能完成對整個收發係統的研發設計
，大大縮小了整個通信係統的體積和功耗。

 

圖2

 

下麵，Rain重點介紹相控陣前端的有源天線幅相控製方案ADAR1000。ADAR1000是一款適用於相控陣的 4 通道 X 和 Ku 頻段波束形成芯片。該器件在接收和發射模式之間以半雙工狀態工作。在接收模式下，輸入信號通過四個接收通道後在公共 RF_IO 引腳上組合在一起。在發射模式下，RF_IO 輸入信號拆分後通過四個發射通道。在這兩種模式下，ADAR1000 在射頻 (RF) 路徑中都提供 ≥31 dB 的增益調整範圍和完整 360° 相位調整範圍，分辨率優於 6 位（分別低於 ≤0.5 dB 和 2.8°）。並且支持存儲最多126個波束的各通道增益相位信息，支持相控陣雷達和通信係統的設計人員利用電調掃描的方式來取代原來龐大的機械轉向天線平台。ADAR1000每一路通道都集成有低噪放（或功率放大器）
、移相器、可變增益放大器。4通道ADAR1000有源天線波束成形芯片可取代天線相位增益調節和數字控製所需的12個分立元件，顯著的簡化了監控、衛星通信所用的相控陣雷達係統尺寸
、重量及功耗。尤其是使用ADAR1000在平麵陣列中，使得裝配於不同平台的平麵陣雷達具有極強的競爭力。

 

ADAR1000原理框圖如下圖3所示。除核心的4T/4R幅度相控控製以外
，ADAR1000集成套片還包含溫度檢測、功率檢測功能，並且為可能需要外掛的大功率功放管以及LNA提供bias供電電壓，這將進一步減少工程師在PCB設計時的電源控製難度以及PCB尺寸。

 

圖3

 

最後
，Rain介紹了一個具體案例：世健公司的某最終用戶希望減小30%相控陣天線總體重量

，針對這一需求，世健向其推薦了ADAR1000集成芯片

，成功解決了設計難題。使用4通道的ADAR1000替換掉原有的分立元器件方案，將係統尺寸和重量減小30%以上。使得整套衛星係統能夠更為便捷的搭載船舶、飛機等大型交通運輸工具。下圖（4）為該客戶實測ADAR1000的VSWR、phase error、Gain隨頻率變化曲線：

 

圖4

 

從測試結果可以看出
，盡管ADAR1000在7X7mm的封裝尺寸內對以前的12顆分立元件進行集成和替代，但性能並沒有隨著高集成度而降低。客戶對整體性能和成本都非常滿意。並提出未來8通道
、16通道的集成化芯片預期。

 

ADAR1000在相控陣天線前端的beam-forming設(she)計(ji)中(zhong)有(you)著(zhe)非(fei)常(chang)卓(zhuo)越(yue)的(de)性(xing)能(neng)
，使(shi)得(de)這(zhe)一(yi)類(lei)型(xing)的(de)集(ji)成(cheng)化(hua)套(tao)片(pian)在(zai)大(da)型(xing)相(xiang)控(kong)陣(zhen)雷(lei)達(da)以(yi)及(ji)衛(wei)星(xing)通(tong)信(xin)應(ying)用(yong)中(zhong)成(cheng)為(wei)主(zhu)流(liu)方(fang)案(an)。為(wei)此(ci)，可(ke)以(yi)預(yu)見(jian)到(dao)，在(zai)不(bu)久(jiu)的(de)未(wei)來(lai)，更(geng)多(duo)通(tong)道(dao)、更高頻率以及帶寬的多功能集成套片將會推向市場，多個單元的天線陣列尺寸、功耗將進一步減小。

 

 

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