一文了解相控阵天线中的真时延

本文要点

·  真时延是宽频带相控阵天线的关键元素之一。
·  真时延通过在整个信号频谱上应用可变相移来消除波束斜视现象。
·  在相控阵中使用时延单元或电路板，以提供波束控制和相移

市场越来越需要更快、更可靠的通信网络，而宽带通信系统正在努力满足这一需求。带宽越高，通信数据速率就越快。但是，在宽带通信中，由于信号在宽频谱上的分布，发射和接收信号都很困难。

天线技术已经得到广泛调整，以解决首要的频谱问题。相控阵天线是众多解决方案之一，具有高效率、电子波束赋形、空间分集功能和高信噪比 (SNR) 等优势特点。

移相器用于引导相控阵天线中的波束，以提高窄带通信系统的效率。“波束倾斜”的现象限制了宽频带相控阵天线的移相器性能。真时延可以在整个信号频谱上应用可变相移，从而消除这种波束倾斜现象，使其成为宽频带相控阵天线的关键技术。

波束倾斜现象

波束倾斜指的是相控阵天线中的波束转向角发生了一种随频率变化的变形。在相控阵天线中，所有阵列部件使用相同的相移，就会产生波束倾斜现象，即频谱的低端和高端的相移差异会使波束从一端指向另一端。由真时延电路提供的可变相移可以减少波束倾斜，有助于实现高分辨率。

如何减少波束倾斜？

选择性波束控制可以通过一组时延线来实现。将时延线从最短到最长排列，可以提供必要的转向精细度和所需的波束转向。通过仔细设置真时延，可以应用适当的相移，使之与相控阵天线的信号频谱相匹配。

如果要求在一维阵列天线中对垂直的长方形波束进行方位转向，可以在每一列子阵列之间放置真时延。在二维阵列天线中，也可以引入真时延。对于单一的转向方案，可以在各个组件之间使用一个固定的时延线。光学版真时延方法也可用于可变相移。

真时延单位

在相控阵中使用真时延单元或电路板，以提供波束控制和相移。传统的时延单元是具有量化延迟的交换式延迟线。当放置在阵列元件或子阵列的信号路径中时，这些时延线引入了特定的时延。然而，切换后的真时延在参考单元和真时延单元之间产生了插入损耗，而且损耗随着频率的增加而增加。

真时延技术助力宽带通信系统提供更快速的通信连接。

如今，真时延可以通过以下几种方式实现：

1. 交换线路
2. 互补金属氧化物半导体 (CMOS)
3. 微电子机械 (MEMS)
4. 砷化镓 (GaA)

基于 MEMS、CMOS 和砷化镓的真时延单元属于 trombone 走线或有源分布式配置类时延。此外，市场上还有单片微波集成电路芯片 (MMIC)，可以引入特定的或编程的时延。

一般来说，时延单元是一个具有特殊功能的移相器，在子阵列层面上使用。它的基本功能是利用多路径结构提供一个特定的时间延迟。与移相器相比，真正的延迟单元能够提供多种相移波长，而且相移与频率有关。这使得由时延单元形成的频谱两端的群延迟差在所需带宽上是平坦的。这种群延迟的平坦化减少了波束倾斜，提高了带宽。

用于宽带相控阵天线的基于 CMOS 的真时延由真时延电路 (TTD)、数字步进式衰减器 (ATT) 电路、宽带分布式增益放大器 (WDGA) 和一个串行外设接口（SPI）组成。人工传输线、单刀双掷开关 (SPDT) 和双刀双掷开关 (DPDT) 用于衰减器和时间延迟块。一个具有正增益的宽带增益放大器对系统中的插入损耗进行补偿。基于 CMOS 的真时延单元设计紧凑，成本低，适合用于宽频带相控阵天线。

波束倾斜降低了宽带通信频谱的传输和接收效率，不利于建立更快的通信网络。真时延可以通过提供可变相移来减少波束倾斜，是宽带相控阵天线的一个关键因素。在相控阵天线中使用真时延单元引入精确的时间延迟，可以改善系统带宽和波束控制，搭建更快的通信网络。