将毫米波波束成形引入新应用

直到最近，国防和航天仍然是使用 30 至 300 GHz（特别是毫米波）射频频谱的主要市场。随着 5G 的推出，主流通信现在正在转向毫米波。这种射频扩展的主要原因是对更多数据带宽的需求。

但随着频率的增加，射频波的方向性越来越强。为了实现最高的数据速率，发射器和接收器需要对齐。视线最好是直线，但不是必需的。利用路径中硬表面反射的射频能量可以实现高信噪比。这也会产生多路径，因此将天线指向信号最强的源有助于实现持续高数据速率通信所需的性能。

通常不需要机械转向。军事应用使用相控阵天线来实现高效的雷达跟踪系统。发射波束扫过目标区域，而接收天线则试图拾取反射。有源相控阵天线提供了一种有效的方法来引导和引导射频能量。在通信系统中使用相控阵可实现所需的辐射功率和信噪比水平。

相控阵天线基础知识

相控阵天线采用多个单独的天线元件。这些天线元件可以以规则的图案排列在平面上，例如印刷电路板或陶瓷模块。通过改变发送到每个天线元件的射频波形的相位，波束在发射器处被控制。通过调整每个波形的相位，复合天线在所需方向上产生建设性干扰，并在大多数不需要的方向上产生破坏性干扰。

结果，如果有足够的元件，且元件间距适合所使用的波长，则可以在所需方向上形成聚焦的窄光束。对来自其他方向的杂散光束进行破坏性干扰，从而最大限度地减少接收器处的干扰。

使用多输入多输出 (MIMO) 发射器和接收器是 5G 蜂窝通信标准中毫米波段传输的基础。MIMO 技术在较低的工作频率下也有效，例如用于主流 5G 和其他协议的 1GHz 至 10GHz 频谱。

波束成形对太空和高空通信也至关重要，尤其是对于利用低地球轨道的系统，当每颗卫星经过头顶时，波束的角度将在几分钟内发生显著变化。卫星和高空通信对于将高带宽覆盖范围扩展到无法部署地面基础设施的地区至关重要。

汽车行业正在使用毫米波频谱进行物体跟踪和高速通信，以帮助支持自动驾驶。这些联合雷达通信系统将是多功能的。车辆将与其他车辆通信，提供地图数据并提醒道路上的问题。

高速控制相移至关重要

有效的相控阵天线信号处理有几个关键要求。高速控制至关重要，因为需要根据目标位置的估计不断评估相移。标准中的协议允许接收器发送有关信号强度和质量的反馈，因此发射器可以调整相对相位以微调波束方向。同样，在雷达系统中，对于正在主动跟踪的物体，接收器子系统将向发射器子系统提供方向信息。

复杂的信号处理算法可优化天线的性能，例如自适应波束形成可减轻干扰或跟踪移动目标。Avnet和 Otava 创建的波束形成器 IC 评估套件提供了此类控制的实际示例。

该套件包含一个 Avnet MicroZed 系统级模块 (SoM)。SoM 基于 AMD Xilinx Zynq 7010 片上系统 (SoC)。SoC 将高速 Arm 处理器内核与大型可编程逻辑阵列相结合，可组合构建复杂的波束形成控制算法。这些算法可跟踪需要该性能水平的应用程序的快速移动目标。

自定义图形用户界面控制电路板。这种高水平的抽象使工程师能够专注于操纵射频信号以获得最佳性能。命令和结果通过 USB 端口或以太网接口共享。

控制性能只是方程式的一部分。射频路径中的设计选择会影响相控阵的性能。一个重要的选择是工作带宽。高带宽可提高射频子系统的灵活性。

Otava 套件波束形成器带宽为 24 GHz 至 40 GHz。它涵盖四个 5G FR2 频段（n257、n258、n260、n261），适用于 Ka 波段卫星通信和国防应用。

带宽权衡

增加工作带宽的一个负面后果是，相邻频段高功率发射机受到干扰的风险更高。在接收器中，更高的传入射频能量会降低有效灵敏度。通过在射频信号路径中添加滤波器，重新配置带宽可以减少辐射和干扰对选定通带的影响。

相控阵收发器的开发人员现在可以使用宽带可调滤波器来控制通过阵列硬件的射频信号。Otava OTFLx01 滤波器具有高线性度、功率处理能力和调谐范围，可更轻松地构建高度灵活的波束成形子系统。

例如，Otava 的 OTFL101 可调谐至 2.5 至 7.5 GHz 范围内的频率，瞬时带宽高达 1.5 GHz。OTFL201 和 OTFL301 将可调通带的功能扩展到毫米波域：分别为 14 至 24 GHz 和 24 至 40 GHz。

得益于绝缘体上硅 (SOI) 技术的功能，毫米波系统中的可调滤波器现已成为可能。SOI 在射频应用方面比体硅具有固有优势，使其成为许多高速电路以及毫米波和微波应用的首选技术。SOI 使用的埋层氧化物层有助于将有源器件与基板隔离，从而降低寄生电容。

高电阻率基板还支持高性能无源元件，其插入损耗低于体硅上的无源元件。由于需要较少的增益来补偿损耗，因此功耗较低。

高度集成的 IC 可减少物料清单和尺寸

相控阵子系统中的另一个权衡与主机处理器或自定义逻辑如何实时控制各个元件有关。每个元件都会接收相移命令。可调滤波器使用适当的通带进行编程。理想情况下，相移元件将安装在靠近天线元件的位置，这可能会限制可用于命令信号的 PCB 布线面积。

移相元件通常安装在天线的背面，以提供非常短的信号路径。Otava 的波束形成器集成电路 (IC) 提供八个发射通道和八个接收通道，每个通道都有独立的相位和 20dB 的范围增益控制。实时控制通过高速串行外设接口 (SPI) 端口提供，该端口可通过低压差分信号 (LVDS) 或单端通信进行操作。还集成了温度传感器和 RMS 功率检测。

对于 Otava 的滤波器 IC，编程是使用三线串行接口进行的，从而减少了需要路由的信号数量。滤波器设计中的每个谐振器都可以用五位系数进行调整。通带的完全重新配置仅需 1µs。滤波器提供的大量自由度使创新的调谐优化方法成为可能。

为了帮助系统架构师探索这些功能，Otava 提供了一个配套的行为模型，该模型能够准确预测滤波器通带和边带裙边，以支持仿真。MathWorks Simulink 环境的更广泛模型支持从比特到天线的系统级仿真，以帮助推动 RF 信号链优化和算法开发。

这类技术可能对对信号编码高度敏感的联合雷达通信算法至关重要。借助 Avnet 和 Otava 设计的完整相控阵评估套件以及各个波束形成器和滤波器 IC 的评估板，这些概念可以在实验室或现场轻松测试。

波束成形技术正变得越来越普及

得益于 SOI 和其他硅基技术的集成和信号处理方面的进步，毫米波波段的波束成形变得越来越实用且经济实惠。这将扩大能够利用毫米波频谱更高带宽和更低拥塞的应用范围。

Otava 凭借其用于构建相控阵天线子系统的设备选择，目前正引领市场，并且该公司与 Avnet 的合作使该技术通过评估套件及其软件更易于访问。