融合多种技术：相控阵综合设计流程

Overcoming the Challenges of Phased-Array Design for 5G, EW and Satellite Applications

Daren McClearnon

是德科技EEsof EDA，美国加州圣罗莎

多通道天线阵列是下一代国防和无线通信系统研发的关键，因其具有束流控制和多路输入多路输出（MIMO）体系结构等特点。这种体系结构使电子战（EW）和消费系统能够提供精准、动态分配而且稳健的服务，支持移动商业模式，在几年之前这种模式还是我们无法想象的。对这种新技术的研究开始于研发领域，研究人员在设计工具和验证方法上取得了一系列突破，能够在非商业环境中有效解决相控阵波束赋形方面的挑战。本文介绍了由标准工具组成的套件如何优化设计流程，在射频和数字波束赋形性能方面达到平衡。

波束赋形（射频、数字和混合）和海量MIMO等多天线技术是5G、卫星通信系统和电子战等领域的主流技术趋势，正是得益于多天线技术，这些系统才能够提供精准、动态分配且稳健的服务。这些技术在系统层面上解决了许多问题，将这些技术结合起来能够提高拥挤频段内每赫兹频率上的比特数，且所受干扰更少。是什么使这些高精尖的技术仅用几年时间就能够从专门的军事应用中走出，广泛应用于低成本、以消费者为导向的高容量平台上？答案是半导体产品的发展遵循着摩尔定律，即成本、尺寸和功率降低的同时，带宽和微波性能仍会得到提高。消费者需求是推动波束赋形和MIMO商业化的关键，催生了我们几年前还无法想象的移动商业模式。

但这些技术在带来好处的同时，其复杂性也带来诸多挑战，尤其是在相控阵设计方面。要应对这些挑战，获得最佳的系统设计，需要一种全新的、自上而下的系统层面上的方法，即从评测波束赋形策略和系统级场景到系统实现，对设计流程进行优化。

相控阵设计挑战

设计相控阵系统时要解决诸多设计流程方面的挑战，既包括技术层面，也包括经济层面。例如，要使系统整体在经济性和服务水平上达到平衡，必须考虑真实模拟的影响、电磁（EM）和数字信号处理（DSP）性能。然而，这样的系统常常难以实现。其中一个挑战是开发一个相控阵需要涉及多个工程学科，而这些学科大部分相互独立。不同的工具套件会用于分析天线和电磁、射频收发机和歧管（可以是IC卡、模块或板卡形式），也会用于整合射频、数字与混合波束赋形结构，这种整合是对基带ASIC/FPGA和射频体系结构的跨领域整合。

由于波束宽度和旁瓣电平是测量阵列性能的典型指标，因此设计目标越高，就越要求相控阵子系统具有更高的系统级性能。波束赋形旨在将射频功率集中于特定方向，减少射频为获得设定的链路质量而消耗的功率（例如数据吞吐量）。其次，这也能减少对其他用户的干扰，提高其他用户的链路质量，延长电池寿命。在更高层面上，阵列潜在的射频损耗会影响最终的旁瓣电平和波束方向图，降低系统级性能。

对于相控阵发射机而言，来自非完美赋形波束的旁瓣电平会干扰外部设备，或使发射机被对抗措施侦测到。在雷达系统中，旁瓣还会导致自感应多重路径，即同一个雷达信号从不同的旁瓣方向抵达雷达系统。这些多余的传播路径会增大地物反射波，必须通过复杂的DSP算法去除。射频阵列性能下降还会误导主波束，使其宽度增加或降低其指向性。例如“斜视”（每次雷达线性调频时出现频率依赖性波束畸变，如图1）和AM-AM/AM-PM畸变。在军事系统中，有效辐射功率（ERP）的降低不但减弱了雷达对远方目标的探测能力，还降低了探测可能性和有效安全距离。对通信链路预算而言，则会影响信噪比（SNR）和覆盖范围。

在相控阵接收机中，射频阵列性能不佳可能会增加噪声。还会增加非预期方向的信号接收，例如接收来自旁瓣和错位空值信号，或者因过载使波束宽度增大。这些影响降低了系统灵敏度和范围，使之更容易受到干扰，提高了总误差向量幅度（EVM）、比特误码率（BER），降低了吞吐量（或探测能力）。增益/温度法（G/T）是常用的接收机阵列测量方法，即在接收弧角范围内，将多个潜在降低性能的指标整合为一个复合品质因数（类似SNR）（见图2）。可通过编程将阵列设定为在某一方向处于“监听”状态，但实际效果如何呢？

尽管MIMO技术与波束赋形有关，但与串扰和相关性的形成仍有细微差别。根据其体系结构，这些技术可能同时用于同一平台。MIMO提高了高密度移动环境中的通信链路稳健性，同时可改善频谱效率。由于MIMO需要逐一寻找每条“信息流”的信号路径，数模和模数转换器（DAC和ADC）的成本及功率、专用信号处理过程都会显著增加阵列子系统的规模、重量和功率（SWaP）。从功能上而言，相比于分析多功能阵列中来自多个用户的各数据流，分析来自单个用户的多个数据流（MIMO）需要在更高的系统层面上评测阵列及其不利因素。

在混合波束赋形（HBF）和由多个单功能子阵列构成的复合阵列中，自身干扰的可能性有所上升。HBF在5G开发社区颇为流行，因其能够在模拟波束赋形（ABF）和数字波束赋形（DBF）之间在成本效益上达到平衡。在HBF中仍有多个与众不同的基带信号，但这些信号在射频波束赋形层面上驱动子阵列组；这些子阵列以传输载波频率执行相移。分隔这些功能可以较低的成本和功率从射频ASIC、ADC和DAC中获取指向性（波束赋形）和吞吐量（MIMO）。

最后需要关注的问题是，物理上不完整的阵列能否以其微波或毫米波载波频率在其传播环境中以预期带宽正常工作。直到最近，要通过一组互不相关的仿真工具来解决这个问题还是很困难的，只能依赖硬件样机制作。各个工程团队有自己已经成型的工具链和方法论，难以跨学科整合。对系统层面应用逆向注释工程也非常困难。

总之，对相控阵进行体系结构设计和验证的工具数量繁多，需要大量研究和大幅改进。由于存在这些挑战，一种前瞻性、系统层面的设计流程可以大幅减少重复次数，降低对硬件验证、室内/室外天线范围和飞行时间的需求。

除了这些设计流程方面的挑战，还要考虑一些不那么明显的设计流程风险：在某些环境中，知识产权（IP）更集中于人而不是工具上。保存并重复使用设计经验和项目知识产权需要战略考量。控制研发“间接”成本等合同未约定的事项、技术转让、部署时间和对高技术的要求等加大了技术人员对跨学科成熟模型工程（MBE）的需求。

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