真时延技术深度解析

相控阵天线通过移相器、真时延或二者的组合，使合成波束更精确地指向阵列转向角度内的所需方向。本文将介绍这两种方法，以及更宽带宽的天线阵列是如何推动真时延在其系统设计中的应用。

指向正确的方向

相控阵天线无需物理移动天线即可改变辐射波束的形状和方向。这些天线通过独特的排列方式组成一个更大的阵列，将每个独立振子的信号叠加，以提升增益性能，并在阵列的波束指向角度范围内精确控制信号，如下图所示。

随着当前相控阵系统的带宽增加以扩展其应用范围和灵活性，更宽的带宽给系统带来了挑战，影响了波束的相移。由于这一趋势，许多AESA系统需要真时延技术来消除更大带宽情况下的波束倾斜。我们将在接下来的部分深入探讨这一点。

相控阵背景知识

相控阵天线的大小与工作频率成反比。因此，频率越高，天线振子的间距就越小。对于较低频率的应用，情况则相反。

那么，如何实现波束转向呢？对于传统窄带阵列，我们使用移相器在给定频率下转换所需的信号延迟。在相控阵天线中，每个天线振子都可以馈入不同的移相器。因此，通过改变每个振子之间的相移，可以引导阵列的波束方向，从而在相关的角度形成波束。

例如，假设我们有两个天线振子，它们之间的距离为“d”，如下图所示。这两个振子之间的相移会改变波束方向。在另一个天线振子上使用移相器，可以引导波束改变其方向，从而提高天线效率。

在下图中，我们可以看到天线阵列中的波形指向会在给定角度上形成一个主波瓣，并最小化旁波瓣。我们还可以看到这些波瓣的相位角和场图的测量数据。

以下是两种常用的相控阵天线系统：

无源电子扫描阵列（PESA）——所有天线振子共用一个发射/接收模块。

有源电子扫描阵列（AESA）——使用相控阵天线，每个天线振子都有专用的发射/接收模块。

深入了解AESA

AESA作为第二代相控阵天线，其每个天线振子均由微控制器单独控制的发射器驱动，这使得AESA比PESA更为先进，能够同时向不同方向发送多个频率的无线电信号。

随着高性能和高分辨率系统的开发，对波形带宽的要求也在增加。这对于传统上使用移相器进行波束方向控制的AESA来说是一个问题，因为波束会随频率变化而产生倾斜。可以使用以下公式计算波束倾斜角度。

对于这些具有较宽瞬时带宽的波形和较窄波束宽度的应用，波束倾斜可能足以使波束偏离目标，从而影响信号质量、准确性和分辨率。

AESA —— 移相器 vs 真时延

AESA使用移相器、时延电路，或二者的组合，在阵列的转向角度范围内将信号波束指向所需方向。

如下图所示，移相器用于在相控阵天线中引导波束，并有助于提高窄带系统的效率。移相器在市场上占据主导地位，在两个状态之间提供固定的插入相位差。它们通常用于带宽较低的应用，因为宽带移相更加困难，且常伴随着插入损耗增加和在整个工作频率带宽内的相位精度降低等问题。这两种状态在时延上仅略有不同，路径长度差异小于一个波长。移相器在每个天线振子处引导波束，但不提供真时延。如果没有这种真时延，波束在较大频率范围内会发生失真或“倾斜”，如下图所示。随着新型、更宽带宽阵列系统的出现，波束倾斜问题变得更为突出；真时延单元则可以用于减轻这种倾斜效应。

时延单元能够提供多个波长的相移，且相移与频率严格成正比。这使得两个状态之间的群时延差异能够在整个频率带宽内产生平坦的相位。

从上面的图中可以看出，时间延迟单元在整个带宽频率上显著减少了波束倾斜，从而提高了更宽带宽范围内的雷达图像分辨率。

真时延 MMIC

时延可以通过多种方式实现，如同轴电缆、光纤、微带线和带状线等。由于尺寸紧凑且成本效益高，使用MMIC的电子方法更为流行。如上图所示，典型的多比特位时延单元包括开关、时延元件和均衡器，以形成参考路径和时延路径。整体延迟范围和延迟步长可以通过切换不同的路径组合来生成。参考线和时延元件通常使用不同长度的传输线来创建。随着线路长度的增加，插入损耗和频率也会增加。均衡器通常用于在频率范围内改善整体时延平坦度。

近年来半导体技术的发展和建模技术的进步使得能够制造出物理尺寸更小的时延电路，这对于高频阵列应用非常有用。此外，还可以考虑使用不同的半导体技术，如CMOS、GaAs和MEMS，以帮助优化某些应用的性能要求。

主要结论

对于当今的宽带阵列天线应用而言，需要采用真时延技术来减轻波束倾斜问题。如上所述，理解TDU与移相器之间的差异，或者如何将二者结合使用，是提升AESA系统级性能的关键。