一種片上同時多波束形成及切換設計方法

陶小輝 李莊 榮大偉 姜力暉 曹銳

摘要：本文介紹了一種面向相控陣的片上同時多波束形成及切換系統設計方法，該方法可根據后端計算能力自由輸出任意多個波束，實現全空域覆蓋，并研制了原理樣機，暗室測試結果表明可實現同時多波束輸出。

關鍵詞：相控陣，同時多波束，波束切換

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）21-0219-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

靈活的同時多波束形成是相控陣[1]系統是實現探測、成像、通信等重要功能的根本與核心技術，例如目前正在設計中的世界最大射電望遠鏡——平方公里陣列望遠鏡SKA[2]，即是利用大量天線組成超大規模的數字陣列，依靠其超大口徑與同時多個獨立敏捷波束，實現全空域巡天、對極弱宇宙信號的超高靈敏度探測以及超高分辨率成像。

美國國防高級研究計劃局（ DARPA）對同時多波束相控陣系統的開發高度重視，聯合洛馬公司、雷聲公司等世界頂級研究機構一起探索理想的相控陣列架構。但目前相控陣系統的波束形成方法大多很難實現多波束的孔徑復用，且無法升級擴展，常規數字波束形成方案則使得系統研發成本高昂、體制復雜，難以廣泛應用。

本文研究了一種可靈活升級的片上同時多波束形成及切換設計方法，通過波束形成芯片實現全空域的同時多波束，然后根據后端計算處理能力，通過波束切換網絡將所需波束提供給后端進行數字域二次波束形成，不僅具有靈活升級能力，還大幅降低電路面積及功耗，能夠廣泛應用于雷達探測、5G通信、射電天文、遙感成像等領域。

2 系統設計分析

片上同時多波束形成及切換系統框圖如圖1所示，天線輸出的信號經過波束形成網絡后輸出16個同時多波束，實現全空域覆蓋，然后16個波束進入波束切換開關芯片，根據后端計算處理能力選擇輸出任意多個波束。該系統可以將任意方向輸入波束切換至任意輸出端口，這樣既滿足了當前數字波束形成能力情況下的波束掃描需求，當后續數字波束形成能力增強時也可根據系統處理能力增加輸出波束個數。

2.1 同時多波束形成芯片設計

同時多波束形成系統由8片波束形成芯片組成兩級延時網絡，實現對二維空間波束信號的合成，其基本單元為4輸入4輸出的波束形成芯片，能夠同時輸出四路不同方向的波束，在方向圖上生成四個波瓣，對空間4個方向的信號做空域濾波處理，實現了有效的預空域濾波處理，減小了后級數字信號處理部分的數字域波束形成的設計復雜度以及面積和功耗。

為了實現多波束形成的功能，多波束形成射頻前端芯片在輸入輸出端口反射系數、空域濾波、增益大小、帶內增益平坦度、功耗、線性度等指標上有一些約束。其中輸入輸出端口反射系數、增益等指標用S參數衡量，線性度用輸入ldB壓縮點衡量，空域濾波性能用陣列系數衡量。多波束形成射頻前端芯片的設計指標是根據實際應用的需求確定的，如表格l所示。

2.2 波束切換開關設計

波束切換電路的主要功能是完成相控陣波束形成網絡輸出的多波束的路徑選擇和切換，它的核心電路為開關陣列。為了滿足波束切換需求，采用了5X5的棋盤結構開關陣列，該結構如圖2所示，在圖中的棋盤結構上有25個開關節點，他們具有完全相同的結構，其中棋盤結構最外圍帶正方形的節點被定義為這個開關陣列的輸入端口，帶有圓圈的節點被定義為開關陣列的輸出節點，而棋盤結構最中間的一點只作為傳輸信號的節點。需要說明的是，棋盤結構開關陣列的每一個開關節點都具有三種工作模式，他們分別是：傳輸信號模式、輸出信號模式、傳輸信號加輸出信號模式。正因為采用了這個具有多種工作模式的單個開關節點，該棋盤結構的開關陣列才能通過復用開關節點來實現強大的波束切換能力。

3 集成與測試

研制了寬帶同時多波束形成芯片（圖3）與波束切換開關芯片（圖4），并與天線陣列集成，在暗室中測試同時多波束性能（圖5），實現-45°、-15°、15°、45°同時四波束，如圖6所示。

4 小結

本文將相控陣模擬和數字相結合進行混合波束形成設計，在減少硬件和功耗成本的同時還可以使得系統的性能損失較少，同時具有靈活升級、可擴充、可重構等特點，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] Wikipedia. Phased Array. Avaijable： http：//en.wikipedia.org/wi-ki/Phased_array.

[2]吳曼青，曹銳，陶小輝，等.世界最大綜合孔徑望遠鏡SKA低頻數字陣列系統研究[J].中國科學：信息科學，2015，45（12）：1600-1614.

作者簡介：陶小輝（1981-），男，高級工程師，博士在讀，研究方向：主要從事孔徑陣列系統硬件實現;李莊（1983-），男，博士，高級工程師，研究方向：硅基MMIC設計;榮大偉（1978-），女，研究生，高級工程師，研究方向：主要從事孔徑陣列系統硬件實現;姜力暉（1991-），女，研究生，工程師，研究方向：主要從事孔徑陣列系統研究;曹銳（1976-），男，博士，研究員，研究萬向：雷達陣列技術。