阵列移相器的理论和技术外文翻译资料

英语原文共 32 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

阵列移相器的理论和技术

1 介绍

窗体顶端

微波移相器虽然在仪器计量，功率组合，放大器线性化等中间存在大量应用，但是最普遍的用途还是在扫描相控阵天线中。移相器市场虽然仍是军事雷达和跟踪平台主导，但在过去十多年中也出现了许多商业应用。这些新的和潜在的应用程序跨越低地球轨道(LEO)通信卫星星座和碰撞警告雷达，体现在智能车辆公路系统或自动公路系统的一个方面。在任何情况下，移相器代表整个天线成本的相当大的一部分，接收阵列的一些估计值接近40％。例如铁氧体移相器仍然是军用阵列中的主力，尽管薄膜铁氧体器件有了进步，但是本书上一版本中对器件技术的回顾仍然非常重要。本章将重点介绍在过去十年中已经成熟的三种类型的移相器：GaAs MESFET单片微波集成电路(MMIC)、微机电系统(MEMS)和薄膜铁电-基于设备。本文将提供一些新颖器件的简要回顾，包括移相器应用的薄膜铁氧体移相器和超导开关。最后，将考虑模2pi;相移限制，相位误差和瞬态响应对误码率退化的影响。

窗体底端

1.1 应用

窗体顶端

军事方面的应用体现在地面系统中的预警雷达、导弹防御和空间监视。大多数系统都是采用的铁氧体移相器技术，但是也存在几个基于GaAs MMIC的阵列的示例：民用空间应用、合成孔径雷达和卫星通信。在新兴的商业方面则应用于智能车辆公路系统的碰撞警告和防撞雷达。

1.1.1 军事相控阵天线

窗体顶端

表1总结了一些军用相控阵雷达系统（参考文献1和2）。值得注意的是在过去三十年中开发的许多阵列具有超过50的生产运行，因为即使一个雷达系统也可能需要非常大量的移相器。

窗体底端

窗体顶端

最后两个系统使用MMIC模块。战区高空区域防御(THAAD)地面雷达需要超过60000MMIC移相器芯片。该计划表明每个模块的成本约为1000美元。反电池雷达（眼镜蛇）火炮和迫击炮的武器定位系统需要8000多个MMIC模块。

窗体顶端

表1.相阵列系统实施例
（转载自Microwave Journal，第40卷，第5期，1997年5月，第288-294页）

1.1.2 商业卫星通信

窗体顶端

比如银行商业卫星服务的客户需要快速下载和上传功能的远程专业人员或移动数据密集型专业人员。还应用于视频会议的商业、石油钻井平台、医疗撤离直升机、飞机、游轮等。在发展中国家，通信基础设施基本不存在，因为公司需要的是通信的方式和方法。然而，需求的最大增长可能由消费者（住宅）需求推动，如：远程教育，电子邮件，家庭购物，远程办公以及娱乐服务，如高清晰度电视和视频电话。与对地静止(GEO)卫星相比，LEO卫星至少有三个主要优点。首先，它们在通常低于1000公里而不是约35000公里的高度上轨道。由于信号损耗与距离平方成比例，因此发生约30dB的自动功率节省。这允许基本上更小的接地端子。第二，它们的接近性提供了几乎不可察觉的传播延迟，就像地球系统一样，而不是与GEO卫星相关的0.25秒延迟。虽然这可能只是对语音服务的烦扰，但它引起了具有更高数据速率（例如，计算机网络）和握手（例如，ATM交换）的技术问题。第三，有可能大幅降低发射成本。对于实用，美观或技术（敏捷性和可靠性）的原因，扫描相控阵似乎是关键。系统架构往往对空间段施加相当大的负担，允许使用相对较小（例如lt;1m）的地球终端来支持可能从2.048到155.53Mbps的数据速率。这些不切实际的想象尚未实现，但可能变得易于给定一个低成本的相控阵解决方案。
还有高数据速率的GEO平台，如Spaceway（休斯）。请求服务的移动平台需要某种类型的铰接天线来跟踪卫星，这是由于可变的纬度和经度，以及补偿俯仰，滚转和偏航。同样，低成本的相控阵列似乎是一个难以捉摸的解决方案。

1.1.3 自动高速公路系统

在世纪之交,窗体顶端

在世纪之交，在美国只有约1.4亿辆汽车。随着人口增长，公路交通扩展，但建设成本和可用的房地产阻碍了公路系统的跟进。智能车辆高速公路系统，特别是在智能巡航控制，碰撞避免雷达和电子收费的背景下，是优化交通流量和减少缺陷决策的解决方案。对于碰撞警告应用，相控阵可以比较小。初步规范建议77GHz的工作频率，1.5°通过6°波束宽度，10Hz扫描速率和10mW输出功率（参考文献3）。电子控制阵列增强碰撞避免雷达两者都因为射束指向的精度要求，而且需要基本上看到角落。指定的发射机功率对应于在300m范围具有1m2雷达截面的用于检测人的及时警告（参考文献4）。

1.1.4 移相器的特点

发展高数据率通信系统需求更加重视信息理论和电磁工程的微妙的方面。作为载频信号带宽的比例减少，不太熟悉的现象会影响系统的性能。新的编码技术是推动通道容量接近香农极限（参考文献5）。预计将出现一些有趣的影响如果宽带扫描相控阵天线的趋势和高效的高速度调节器继续（参考文献6）。例如，在相控阵天线元件间的间距，数组的物理尺寸，和指导向量可以合起来介绍脉冲群时延失真，传输干扰，和波束偏斜（参考文献7和8）。和放大器的操作点可以对误比特率的影响取决于调制类型和运营商的数量。自然人希望尽可能有效地操作相控阵给定功率限制和热管理问题。这个愿望需要功率放大器工作在非线性区域接近饱和。非线性效应引起amplitude-to-amplitude调制(AM/AM)和amplitude-to-phase调制(AM/PM)失真。AM/AM失真的净效应是交替压缩和扩展信号星座。AM/PM转换的净效应是一个旋转的信号星座（参考文献7）。在接收数组，低噪声放大器的三阶截距很大程度上决定了相互调制变形和热耗散（参考文献9）。但是，移相器插入损耗包络和相位精度也影响阵列性能的关键因素。相移通常遵循低噪声放大器接收数组和功率放大器之前在传递数组。由于移相器的插入损耗取决于其阶段设置和转换作用以来代表一些有限的时域响应，其潜在贡献比特误码率恶化通常不能被忽略。总是会有一些效果无论相移键控（相移键控）调制系统，在很大程度上取决于转向向量更新率和数据率。切换时间长也会增加最低雷达范围。除了这些问题，卫星通信市场的商业移动平台上安装跟踪终端的欲望，甚至在小型/家庭办公和住宅遗址，激发了寻找便宜的相移和负担得起的相控阵列。系统芯片尺寸的限制，在实践中，权力处理、驱动功率，插入损耗、带宽、相位误差、瞬态响应、成本决定特定设备的设计。

2 半导体

窗体顶端

半导体移相器，主要基于GaAs，但也依赖于SiGe和InP，在过去二十年中取得了稳步进展。与铁氧体器件相比，它们的小尺寸和相对低的功耗已经创造了新的插入机会。存在许多可能的电路拓扑，在各种配置中使用二极管或FET开关。

2.1 高通或低通

窗体底端

原则上，任何变量电抗串联或并联在输电线路可用于引入相移。高通或低通移相器pi;网络使用离散的电容和电感器如图1所示。在高通配置显示，相对推迟实现。相反的配置，所有领域中开关的话，低通电路代表一个相对相位超前（参考文献10）。它可以表明，如果电路匹配，X=2b/(1 B2)和插入阶段tan-1(2b/(B2-1))（参考文献11）。PIN二极管的开关可以实现或MESFET，将后来在这一节中讨论。可以实现相移180°约20%带宽。

图1 窗体顶端

图1 高通/低通pi;网络移相器的拓扑。双重T网络实现是可能

窗体底端

图2 窗体顶端

图2 加载线移相器

窗体顶端

2.1.1 加载线

通常用于实现22.5°至45°相移的另一种类型的移相器是负载线（参考文献12）。这种情况的示意图如图2所示。理想情况下，间隔四分之一波长的电抗性负载在传输线上分流以实现相移。第二分流电纳(jB)的目的是引起反射，其将至少部分地抵消来自反射的反射第一分流电纳(jB)。通过将图2的ABCD矩阵等同于等式(1)中给出的具有电长度theta;L弧度和特性阻抗Z欧姆的传输线的等效部分，

我们获得

和

如果电纳是电容的，则相速度减小；如果电纳是电感的，则相速度增加。加载线移相器固有地是窄带的，并且产生恒定的相移对频率响应。相位-频率响应通常不如高通/低通类型平坦。

图3 开关线移相器。信号路径通过延迟传输线，开关设置如图所示

窗体顶端

图4 以路径L2作为参数建模插入损耗和相位。红线是损耗，蓝线是相位

2.1.2 开关线

开关线移相器是另一种流行类型，并且直观上易于理解。SPDT开关用于在具有不同路径长度的传输线之间切换。与前面讨论的类型相反，这是一个真正的时间延迟装置。也就是说，它提供与频率(omega;)成比例的相位响应(phi;)。由于时间延迟，tau;=-dphi;/domega;并且phi;与omega;成比例，tau;是带宽上的常数。示意图如图3所示。差分相移为

窗体顶端

其中beta;是传输线的传播常数。通常，beta;等于弧度频率omega;除以v_p，其中v_p是相速度。然而，对于该设计需要谨慎。利用串联二极管开关，可能断开路径长度和开关电容可以协同创建与导通路径并联的通路，导致高插入损耗和频带中的突然相变。利用MESFET代替所示的SPDT开关，导通路径也可能在某些条件下经历高损耗。如果MESFET被视为与0.1pF的夹断电容串联的非常小的电阻，则“导通”路径（即L2）的插入损耗（和相位）将如图4所示变化，其中L2作为

窗体顶端

图5 30GHzGaAsMMIC移相器，采用1-400mm开关FET。

芯片尺寸为5.5times;2.5times;0.15mm³，不包括片外电容器

随着L2增加，较高损耗主要是由于与开关的相互作用，而不是耗散损耗。因此，必须根据开关特性选择L1和L2。
4位GaAs单片移相器的照片如图5所示（参考文献13）。芯片尺寸是约5.5times;2.5times;0.15mm3。180°，90°和45°位是使用开关实现的，而22.5°位是用加载的线实现的。工作频率为30GHz带宽约为10％。平均插入损耗lt;10dB，插入损耗包络线为约2dB。

2.1.3 光束偏离

恒定时间延迟的明显优点是波束控制与频率无关。为了简单起见，考虑由距离d分开的N个元素的线性阵列（参考文献14）。在相邻元件之间以从视轴形成角度theta;的光束的增量相移是

其中f是频率，c是真空中的光速。如果频率改变Delta;f，则波束斜视角Delta;theta;和相位偏差delta;phi;相关

如果移相器插入相位与频率成比例，则光束视差Delta;theta;为零。然而，如果相位与频率无关，则delta;phi;为零，并且等式(5)和(6)必须相等，产生

这导致光束偏离角

因此，宽扫描角和宽带宽对应于显着的扫描误差。实际上，移相器通常提供0至2pi;的相移。在电大阵列中，可以省略真实时间延迟波束控制所需的总延迟的整数部分N，导致性能下降。在需要窄脉冲以获得高分辨率的雷达系统中，存在相应宽的频谱。这个模2pi;问题的影响将在本章后面详细讨论。

2.1.4数字控制

在大的相控阵中的放大器和移相器控制信号的分布是一个复杂的问题。数千个MMIC模块必须互连到波束形成歧管中。必须使用某种类型的数字接口电路来寻址单个移相器并解码其控制信号。适应快速扫描的复用数据速率可以接近Gb/s（参考文献15）。在一个实例中，使用GaAs光电集成电路来检测光学串行控制信号并将其解复用为16个并行电信号（参考文献16）。操作的Ka波段，4位移相器30MHz时钟速度。平均光功率为250mu;W。在另一种情况下，证明了光控开关和X带相移，受控GaAs FET直接与微波信号相互作用（参考文献17）。FET由5mW，670nm的InGaAlP激光二极管的聚焦输出照明，受控GaAsFET直接与微波信号相互作用（参考文献17）。

2.1.5 开关Q

微波移相器的主要要求包括双向（或互补）功能，低功耗和低插入损耗。前一节中切换线路移相器的插入损耗取决于SPDT开关损耗和传输线路损耗。正如我们所看到的，SPDT开关可以通过SPST开关的几种可能的组合来实现。基本上，该开关旨在最小化一个状态下的插入损耗，并在另一个状态下最大化隔离。SPST开关有两种基本配置：串联阻抗或分流导纳。这些在图6中示出。

将插入损耗定义为由发电机输送的可用功率与在没有开关的情况下的负载与在存在开关的情况下由负载消耗的实际功率的比率，系列(Lse)和分流(Lsh)开关的插入损耗为

通常，Zsw和Ysw以及Zo对于频率是依赖的。Zsw和Ysw中的摆动确定插入损耗和隔离。当然，用于实现开关的二极管和MESFETs本质上是非线性的。二极管是正向偏置和反向偏置，以便产生最大可能的阻抗变化。在正向偏置状态下，阻抗小，但二极管传导大量的直流电流。在反向偏压状态下，形成耗尽区。值得注意的是，根据公认的结电容Cj的理论，随着正向偏压增加，Cj增长无限。当然，电容是存储电荷的量度，并且随着耗尽区域朝向零维度收缩，存储电荷朝向零减小（参考文献18）。

窗体顶端

图6 串联（a）和分流（b）信号极，信号通过开关的等效电路。

开关阻抗和谐振分别是Z_SW=R

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[612951]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word