【導讀】本文介紹了相控陣混合波束賦形架構中接收機動態範圍指標的測量與分析的比較。測量使用市售32tongdaokaifapingtaijinxingyanzhengfenxi。benwenhuigulezizhenlieboshufuxingjieshoujidefenxi，zhongdianshichulimonizizhenliezhongxinhaohebingdianchudexinhaozengyiyuzaoshengzengyizhijiandechayi。benwenfenxilekaifapingtaijieshoujixingneng
，bingyuceliangjieguojinxinglebijiao。zuihoutaolunlejieguoyaodian
，zhizaitigongyigekeyongyuyucegengdaxitongxingnengdeceliangyujianmojizhun。

引言

相控陣波束賦形架構大致可分為模擬波束賦形係統、數字波束賦形係統或以上兩者的某種組合——采用模擬子陣列，經過數字處理後形成最終天線波束方向圖。後一類（基於數字組合的子陣列）結合了模擬和數字波束賦形，通常稱為混合波束賦形。

在zai業ye界jie對dui軟ruan件jian定ding義yi天tian線xian的de探tan索suo中zhong，人ren們men非fei常chang希xi望wang實shi現xian全quan數shu字zi相xiang控kong陣zhen
，以yi便bian最zui大da限xian度du地di提ti高gao天tian線xian方fang向xiang圖tu的de可ke編bian程cheng性xing。在zai實shi踐jian中zhong，特te別bie是shi隨sui著zhe頻pin率lv提ti高gao
，封feng裝zhuang
、功gong耗hao和he數shu字zi處chu理li方fang麵mian的de挑tiao戰zhan迫po使shi人ren們men減jian少shao數shu字zi通tong道dao數shu。混hun合he波bo束shu賦fu形xing緩huan解jie了le實shi施shi工gong程cheng師shi常chang常chang麵mian對dui的de數shu字zi通tong道dao密mi度du需xu求qiu，因yin此ci可ke能neng會hui在zai未wei來lai某mou個ge時shi間jian作zuo為wei一yi種zhong實shi用yong方fang案an出chu現xian。¹

圖1zhanshileyigedaibiaoxinghunheboshufuxingjiagou
，xianshilegaijiagouzhongbaohandezhuyaozixitong。daduoshuhunheboshufuxingxitongdoushizheyigainiandemouzhongbianti。congyoudaozuoguanchakuangtu，keyizhiguandilijiegaijiagou：kongzhongdeboqianrushedaotianxianyuanjian

，jingguoweibodianludaodashujuzhuanhuanqi，zaijinxingshuzichulihouxingchengzuizhongdeshuziboshushuju。kuangtujianghunheboshufuxingjiagouzhanshiweiqigezixitongdezuhe：

1. 天線元件：將空中的微波能量轉換為同軸介質上的微波信號。

2. 發射/接收(T/R)模塊：包含接收低噪聲放大器(LNA)和發射高功率放大器(HPA)，以及用於在發射和接收之間進行選擇的開關。

3. 模擬波束賦形：將選定數量的元件組合成一個模擬子陣列。

4. 微波上/下變頻：如果工作頻率大於數據轉換器的工作範圍，則使用頻率轉換將工作頻率轉換為適合數據轉換器處理的中頻(IF)。

5. 數據轉換器：將微波頻率轉換為數字。

6. 數字上/下變頻：隨著高速數據轉換器的普及
，數據轉換器的速率通常大於處理帶寬所需的速率。使用數據轉換器集成電路(IC)中嵌入的數字上/下變頻特性，將同相/正交相位(I/Q)數據流降低到與應用的處理帶寬相稱的較低速率，可以節省係統功耗。

7. 數字波束賦形：最後，將I/Q數據流加權合並
，形成最終的數字波束數據。

圖1. 混合波束賦形RF一般框圖

微wei波bo工gong程cheng師shi在zai混hun合he波bo束shu賦fu形xing架jia構gou中zhong麵mian臨lin的de挑tiao戰zhan之zhi一yi是shi隨sui著zhe係xi統tong架jia構gou的de演yan變bian進jin行xing性xing能neng預yu測ce。級ji聯lian微wei波bo分fen析xi已yi被bei業ye界jie充chong分fen理li解jie


，相xiang關guan文wen獻xian非fei常chang完wan備bei。數shu字zi波bo束shu賦fu形xing測ce量liang也ye有you文wen獻xian記ji載zai^2,3,4，但實測與建模得到的混合波束賦形微波指標比較方麵的文獻還很有限，缺乏一個用於外推到更大係統設計的基準。

本文將討論混合波束賦形係統的接收機動態範圍分析，並比較一個32元件混合波束賦形測試平台的測量值和預測值。最初開發的混合波束賦形原型平台是為了在一個代表性架構中驗證IC設計，並支持X波段（8 GHz至12 GHz）相(xiang)控(kong)陣(zhen)架(jia)構(gou)的(de)快(kuai)速(su)原(yuan)型(xing)設(she)計(ji)。然(ran)而(er)，隨(sui)著(zhe)表(biao)征(zheng)的(de)開(kai)始(shi)，很(hen)明(ming)顯(xian)需(xu)要(yao)一(yi)種(zhong)係(xi)統(tong)性(xing)預(yu)測(ce)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)的(de)方(fang)法(fa)。我(wo)們(men)的(de)目(mu)的(de)是(shi)記(ji)述(shu)分(fen)析(xi)方(fang)法(fa)以(yi)及(ji)測(ce)量(liang)數(shu)據(ju)的(de)比(bi)較(jiao)
，使(shi)工(gong)程(cheng)師(shi)能(neng)夠(gou)利(li)用(yong)一(yi)個(ge)經(jing)表(biao)征(zheng)的(de)基(ji)準(zhun)來(lai)構(gou)建(jian)類(lei)似(si)但(dan)更(geng)大(da)的(de)係(xi)統(tong)。

原型硬件

我們開發了一個32元件的混合波束賦形原型平台⁵
，如圖2所示。詳細信號鏈如圖3所示。

圖2. X波段（8 GHz至12 GHz）相控陣原型設計和開發係統

圖3. 原型硬件詳細框圖

前端由32個發射/接收模塊和8個模擬波束賦形IC (BFIC)組成。兩個BFIC輸出組合產生四個8元件子陣列。四個子陣列連接到一個4通道微波上/下變頻器。該4通道微波上/下變頻器再連接到一個包含四個模數轉換器(ADC)和四個數模轉換器(DAC)的數字轉換器IC。ADC以4 GSPS采樣
，而DAC以12 GSPS采樣。

微波頻率設置為8 GHz至12 GHz。本振(LO)設置為具有固定IF（中心頻率為4.5 GHz）的高端LO。在該IF頻率時，ADC在第三奈奎斯特區進行采樣。

利用一個商用FPGA板進行數據采集。我們開發了一個MATLAB®計算機控製界麵，以便能夠在真實硬件中快速表征仿真波形。數據分析及後續處理在MATLAB中進行。

模擬子陣列級聯分析

除chu信xin號hao合he並bing點dian外wai，所suo有you傳chuan統tong級ji聯lian方fang程cheng均jun適shi用yong於yu模mo擬ni子zi陣zhen列lie的de級ji聯lian分fen析xi。如ru果guo信xin號hao在zai合he並bing點dian處chu的de幅fu度du和he相xiang位wei匹pi配pei，並bing且qie噪zao聲sheng不bu相xiang關guan

，那na麼me信xin號hao增zeng益yi和he噪zao聲sheng增zeng益yi將jiang不bu同tong。因yin此ci，需xu要yao一yi種zhong方fang法fa來lai以yi不bu同tong方fang式shi跟gen蹤zong這zhe些xie項xiang。

所用方法

圖4說明了所使用的方法。圖4a顯示了信號增益和噪聲增益分開的點。真正的合並器具有插入損耗項和理論合並項。這可以用圖4b來解釋。最後
，如果跟蹤噪聲溫度（如圖4c所示）
，那麼可以在每一級的輸入和輸出端跟蹤噪聲功率。

圖4. 一種用於模擬相幹合並的級聯分析方法：分別跟蹤信號增益和噪聲增益。跟蹤器件噪聲溫度和折合到輸入端的器件噪聲功率提供了一種分別跟蹤這些增益項的方法。

為了計算任意級輸出端的噪聲功率，須將器件折合到輸入端的噪聲與輸入噪聲線性相加，然後轉換回dBm/Hz並加到器件噪聲增益上。

要根據器件噪聲係數計算折合到輸入端噪聲，須計算噪聲溫度並轉換為折合到輸入端的噪聲功率。

噪聲溫度(T_e)可以根據器件噪聲係數計算：

其中T為環境溫度（單位為K）。

根據噪聲溫度可以計算折合到輸入端的器件噪聲：

其中k為玻爾茲曼常數。

相幹合並的直觀描述

信xin號hao與yu噪zao聲sheng合he並bing的de直zhi觀guan視shi圖tu有you助zhu於yu理li解jie該gai方fang法fa的de目mu的de。首shou先xian假jia設she校xiao準zhun已yi執zhi行xing，因yin此ci所suo有you信xin號hao的de幅fu度du和he相xiang位wei都dou匹pi配pei，並bing且qie噪zao聲sheng不bu相xiang關guan，但dan幅fu度du也ye相xiang等deng，合he並bing器qi輸shu入ru端duan的de所suo有you通tong道dao都dou是shi如ru此ci。

如果僅使能了部分元件（校準或各種測試和調試配置常常就是這種情況），那麼我們還需要一種方法來跟蹤結果。

信號和噪聲輸出電平可以計算如下：

信號功率 = 輸入功率 + 信號增益

信號增益 = 20log（開啟的通道數）- 插入損耗 - 10log（合並器輸入端口數）

噪聲功率 = 輸入噪聲功率 + 噪聲增益

噪聲增益 = 10log（開啟的通道數）- 插入損耗 - 10log（合並器輸入端口數）

注意這種方法的結果。表1總zong結jie了le若ruo幹gan模mo擬ni合he並bing器qi通tong道dao數shu的de信xin號hao增zeng益yi和he噪zao聲sheng增zeng益yi，既ji有you每mei個ge輸shu入ru都dou通tong電dian和he校xiao準zhun的de情qing況kuang，也ye有you僅jin一yi個ge輸shu入ru通tong電dian和he校xiao準zhun而er其qi他ta端duan口kou端duan接jie的de情qing況kuang。

表1. 無損合並器的信號/噪聲增益

級聯電子表格

我們使用所描述的方法
，創建了圖5suoshidejiliandianzibiaoge，qizhongbaokuoguanyugenzongyishinengyuanjianshuliangdeguiding。tuzhongjixianshiledangeyuanjianshinengdeqingkuang，yexianshilesuoyoubageyuanjianshinengdeqingkuang。

圖5. 級聯計算

在數據轉換器捕獲數據後
，對數字數據進行快速傅裏葉變換(FFT)
，從而得到測量結果
，因此結果中包含數據轉換器規格。跟蹤的最終指標是ADC指標，稱為接收機輸入。為了快速驗證測量結果，還計算了給定輸入功率的預期FFT幅度和交調產物。

實測數據

測試設備

測試設置如圖2和圖3所示。用於提供接收機輸入
、LO、ADC采樣時鍾和整個係統參考時鍾的具體實驗室設備如表2所示。係統內的數字化儀IC用於捕獲以下結果中顯示的樣本。

表2. 用作後文中數據采集部分的測試設備

校準

對於所有測量，在數據分析之前都會進行校準。該係統由32個天線元件
、8個BFIC和一個包含4個ADC的數字化儀IC組成。每個數字化儀IC的ADC信號鏈都包括數字下變頻器形式的強化型數字信號處理(DSP)模塊

，其中的數字控製振蕩器(NCO)能夠在子陣列級別將相移應用於每個數字化通道。因此

，8個天線元件形成本文所定義的單個子陣列，共享一個公共ADC和DSP信號鏈。係統提供的相位和幅度調整在模擬域通過BFIC實現
，在數字域通過NCO和可編程有限脈衝響應(PFIR)模塊實現。

最初選擇通道1作為所有其他通道對齊的基線。在模擬域內
，BFIC可變增益放大器(VGA)用於對齊整個陣列的幅度，而BFIC移相器(PS)用於對齊子陣列內的相位。在數字域內，使用NCO相位偏移對齊每個子陣列的相位。

校準開始於一次使能每個子陣列的一個模擬通道（例如，通道1
、通道3、通道17和通道19
，如圖6右側所示），因此總共四個信號同時被數字化儀IC上的四個ADC數shu字zi化hua。這zhe樣yang可ke以yi計ji算suan與yu每mei個ge子zi陣zhen列lie之zhi間jian的de相xiang位wei誤wu差cha直zhi接jie相xiang關guan的de每mei個ge子zi陣zhen列lie通tong道dao的de相xiang對dui相xiang位wei偏pian移yi誤wu差cha。計ji算suan出chu所suo有you三san個ge通tong道dao相xiang對dui於yu基ji準zhun通tong道dao1的相位偏移誤差後，應用所計算的NCO相位偏移

，並基於每個通道補償此相位誤差，以使所有子陣列在相位上對齊。

圖6. 校準利用了模擬相位控製和數字相位控製旋鈕

然後禁用子陣列2
、3、4中的三個原始通道，並使能子陣列2
、3

、4中的另外三個通道。相對於子陣列1上的基線通道1同時捕獲所有四個通道，可以計算這三個新通道的相位誤差。一旦計算出這些相位誤差，就可以使用BFIC移相器補償此相位誤差。重複該過程，直到所有通道在模擬和數字域中都相位對齊。為了對齊子陣列1中的每個通道
，子陣列2中相位對齊的通道3用作比較點，因為它在校準序列的第一步之前已經相位對齊。結果是模擬相位調整補償子陣列內的相位誤差，而NCO相位偏移補償跨子陣列的相位誤差。

FFT

所有性能測量均基於連續波(CW)數據捕獲的FFT進行評估。信號發生器設置為相幹頻率，並且在FFT中不應用加權。圖7顯示了單音測量的代表性FFT。

圖7. 單音FFT，RF輸入為~10 GHz、–50 dBm
，LO = 14.5 GHz、5 dBm
，ADC速率為4 GSPS，粗NCO = 550 MHz，DDC：16倍、250 MSPS I/Q數據速率，FFT樣本數為4096

從左到右的曲線分別對應如下情況：使能單個元件，子陣列中的所有八個元件，以及四個子陣列數字合並。從這些FFT可以觀察混合波束賦形對接收機動態範圍的影響。

●   當子陣列中啟用N個元件時，信號功率增加20logN。噪聲功率也會增加，整體SNR會提高。

●   當子陣列以數字方式合並時，數據有所增長。基於額外位執行FFT會導致相對於滿量程的信號電平保持不變
，但相對於滿量程的噪聲降低。

●   許多元件上的雜散內容的幅度在子陣列級別上會增加，但子陣列之間不相關，雜散內容在全陣列級別上降低到噪聲中。

圖8顯示了雙音測量的代表性FFT。從左到右的曲線分別對應如下情況：使能單個元件
，子陣列中的所有八個元件，以及四個子陣列數字合並。FFT跨度減小以實現交調產物的可視化。

圖8. 雙音FFT，RF輸入：~10 GHz、–50 dBm，LO = 14.5 GHz、5 dBm，ADC速率為4 GSPS，粗NCO = 550 MHz，DDC：16倍
、250 MSPS I/Q數據速率
，FFT樣本數為4096
，曲線放大至±10 MHz。

交jiao調tiao產chan物wu隨sui使shi能neng的de元yuan件jian數shu量liang增zeng加jia而er增zeng加jia。這zhe是shi因yin為wei合he並bing器qi之zhi後hou的de電dian路lu的de功gong率lv更geng高gao，因yin此ci交jiao調tiao產chan物wu也ye更geng高gao。然ran而er
，當dang模mo擬ni子zi陣zhen列lie以yi數shu字zi方fang式shi合he並bing時shi
，雙shuang音yin信xin號hao和he交jiao調tiao產chan物wu的de幅fu度du均jun接jie近jin平ping均jun值zhi。

在此測試配置的情況下，觀察到主載波邊緣外的相位噪聲相關。在該配置中，所有通道都有一個公共LO、一個公共RF輸入和一個公共電源。實際上

，對於大型陣列，應該避免這種情況。有關跟蹤陣列中相關噪聲與不相關噪聲的進一步討論，請參見文章：“基於經驗的多通道相位噪聲模型在16通道演示器中的驗證”，“相控陣用分布式直接采樣S波段接收機測量總結”
，以及“帶有分布式鎖相環的相控陣的係統級 LO相位噪聲模型”。

性能測量

圖9全麵總結了接收機性能測量。

圖9a是不同頻率的FFT相對於滿量程的幅度。使用此數據和輸入功率，可以計算接收機滿量程電平
，如圖9b所示。

圖9c是在FFT處理中計算的噪聲譜密度(NSD)


，單位為dBFS/Hz。載波周圍的幾個FFT頻帶被移除
，因此噪聲代表白噪聲，不受測試配置的相位噪聲影響。

基於圖9a和圖9c可以計算信噪比(SNR)
，如圖9d所示。觀察到兩種效應。第一
，在子陣列級別，SNR增幅略高於10logN。這是因為合並後的噪聲功率更高，合並器之後器件的噪聲係數影響較小。第二，當子陣列以數字方式合並時，SNR增幅為10logN。

圖9e顯示了單個元件、子陣列和全數字化陣列的無雜散動態範圍(SFDR)。隨著更多元件加入陣列
，我們看到性能持續改進，這表明測試配置中的所有雜散都是不相關的。

圖9f顯示了輸入三階交調截點(IIP3)。此結果直觀地來自雙音FFT。由於交調產物增多，子陣列IIP3較低。陣列級IIP3接近子陣列級的平均值。

請注意，對於所有這些測量
，數據都非常接近級聯分析中的建模值。除圖9d和9e之外的圖形都包含建模值。圖9d和9e是間接確定的，未在電子表格中明確定義
，故不包含建模值。

圖9. 接收機性能測量

觀察結果總結

從cong所suo有you信xin號hao在zai相xiang位wei和he幅fu度du上shang對dui齊qi的de假jia設she開kai始shi，測ce量liang結jie果guo與yu預yu測ce非fei常chang吻wen合he。級ji聯lian分fen析xi要yao求qiu在zai模mo擬ni合he並bing器qi處chu分fen離li信xin號hao增zeng益yi和he噪zao聲sheng增zeng益yi。基ji於yu噪zao聲sheng輸shu入ru和he器qi件jian折zhe合he到dao輸shu入ru端duan的de噪zao聲sheng跟gen蹤zong噪zao聲sheng功gong率lv是shi一yi種zhong有you效xiao的de方fang法fa。

在子陣列級別，當開啟通道時：

●   SNR改善幅度略大於10logN。

   ○ 信號增加20logN。

   ○ 噪聲增加略小於10logN。

    模擬合並器之後的噪聲功率較大。

    模擬合並器之後器件的NF影響較小。

●   模擬合並器之後器件的信號較大，因此當信號合並時，IIP3會降低。

●   雜散一般在模擬子陣列內部相關。這是因為信號源在模擬合並器之後，無論微波通道使能與否
，都會測量到相同的雜散。

當子陣列以數字方式合並時：

●   信噪比提高10logN

   ○ 信號功率保持不變

   ○ 噪聲功率（單位為dBFS/Hz）降低

●   IIP3接近平均值

●   觀察到的雜散在不同數字通道之間是不相關的。

相關的相位噪聲項值得注意。在此測試配置中觀察到相關的相位噪聲。這可以通過圖8中的近載波噪聲看出，其中頻率軸被放大到足夠大以顯示該效應。使用來自測試設備的公共微波輸入和LO輸入。這意味著微波信號和LOxiangweizaoshengshixiangguande。gongxiangdianyuanyekenengdaozhixiangguangongxian，dianyazaiciceshipeizhizhonggongxiang。zaigaiceshipeizhizhong
，womenzaijieshoujiceshiqijianmeiyoutiaoshixiangguanxiangweizaoshengdezhuyaolaiyuan。danshi，womenyizhuyidaozheyidian
，tajiangshigaiyingjiandeyigeweilaiyanjiulingyu。

致謝

作者要感謝ADI公司的許多工程師，是他們讓這項工作成為可能
，其中有IC設計師
、電路板設計師
、軟ruan件jian開kai發fa人ren員yuan和he組zu裝zhuang原yuan型xing硬ying件jian的de技ji術shu人ren員yuan。我wo們men還hai要yao感gan謝xie以yi應ying用yong為wei導dao向xiang的de管guan理li人ren員yuan，他ta們men對dui測ce試shi平ping台tai的de價jia值zhi展zhan示shi出chu了le遠yuan見jian，耐nai心xin等deng待dai測ce試shi平ping台tai變bian為wei現xian實shi。我wo們men的de描miao述shu記ji錄lu了le接jie收shou機ji測ce試shi結jie果guo
，但dan如ru果guo沒mei有you其qi他ta許xu多duo人ren的de工gong作zuo，就jiu不bu可ke能neng有you這zhe些xie描miao述shu。

參考電路

1 Prabir Saha. “多波束相控陣接收機 混合波束賦形功耗優勢的定量分析” 。ADI公司，2022年4月。

2 Peter Delos和Mike Jones。 “基於經驗的多通道相位噪聲模型在16 通道演示器中的驗證”。ADI公司，2021年11月。

3 Peter Delos、Mike Jones和Hal Owens。 “相控陣用分布式 直接采樣 S波段接收機測量總結” 。ADI公司，2022年1月。

4 Peter Delos。“帶有分布式鎖相環的相控陣的係統級LO相位噪 聲模型” 。ADI公司

，2018年11月。

5 X/Ku波段波束賦形開發者平台。ADI公司。

Peter Delos和Mike Jones。 “使用商用收發器的數字陣列：噪聲、雜散和線性測量”。IEEE相控陣大會

，2019年10月。

Delos, Peter，“寬帶接收機架構方案綜述” 。ADI公司
，2017年2月。

致謝

作者要感謝ADI公司的許多工程師
，是他們讓這項工作成為可能，其中有IC設計師、電路板設計師、軟ruan件jian開kai發fa人ren員yuan和he組zu裝zhuang原yuan型xing硬ying件jian的de技ji術shu人ren員yuan。我wo們men還hai要yao感gan謝xie以yi應ying用yong為wei導dao向xiang的de管guan理li人ren員yuan，他ta們men對dui測ce試shi平ping台tai的de價jia值zhi展zhan示shi出chu了le遠yuan見jian
，耐nai心xin等deng待dai測ce試shi平ping台tai變bian為wei現xian實shi。我wo們men的de描miao述shu記ji錄lu了le接jie收shou機ji測ce試shi結jie果guo
，但dan如ru果guo沒mei有you其qi他ta許xu多duo人ren的de工gong作zuo
，就jiu不bu可ke能neng有you這zhe些xie描miao述shu。

來源：ADI

作者：Peter Delos, Sam Ringwood, 和 Michael Jones

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