一种片上同时多波束形成及切换设计方法

陶小辉 李庄 荣大伟 姜力晖 曹锐

摘要：本文介绍了一种面向相控阵的片上同时多波束形成及切换系统设计方法，该方法可根据后端计算能力自由输出任意多个波束，实现全空域覆盖，并研制了原理样机，暗室测试结果表明可实现同时多波束输出。

关键词：相控阵，同时多波束，波束切换

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）21-0219-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

灵活的同时多波束形成是相控阵[1]系统是实现探测、成像、通信等重要功能的根本与核心技术，例如目前正在设计中的世界最大射电望远镜——平方公里阵列望远镜SKA[2]，即是利用大量天线组成超大规模的数字阵列，依靠其超大口径与同时多个独立敏捷波束，实现全空域巡天、对极弱宇宙信号的超高灵敏度探测以及超高分辨率成像。

美国国防高级研究计划局（ DARPA）对同时多波束相控阵系统的开发高度重视，联合洛马公司、雷声公司等世界顶级研究机构一起探索理想的相控阵列架构。但目前相控阵系统的波束形成方法大多很难实现多波束的孔径复用，且无法升级扩展，常规数字波束形成方案则使得系统研发成本高昂、体制复杂，难以广泛应用。

本文研究了一种可灵活升级的片上同时多波束形成及切换设计方法，通过波束形成芯片实现全空域的同时多波束，然后根据后端计算处理能力，通过波束切换网络将所需波束提供给后端进行数字域二次波束形成，不仅具有靈活升级能力，还大幅降低电路面积及功耗，能够广泛应用于雷达探测、5G通信、射电天文、遥感成像等领域。

2 系统设计分析

片上同时多波束形成及切换系统框图如图1所示，天线输出的信号经过波束形成网络后输出16个同时多波束，实现全空域覆盖，然后16个波束进入波束切换开关芯片，根据后端计算处理能力选择输出任意多个波束。该系统可以将任意方向输入波束切换至任意输出端口，这样既满足了当前数字波束形成能力情况下的波束扫描需求，当后续数字波束形成能力增强时也可根据系统处理能力增加输出波束个数。

2.1 同时多波束形成芯片设计

同时多波束形成系统由8片波束形成芯片组成两级延时网络，实现对二维空间波束信号的合成，其基本单元为4输入4输出的波束形成芯片，能够同时输出四路不同方向的波束，在方向图上生成四个波瓣，对空间4个方向的信号做空域滤波处理，实现了有效的预空域滤波处理，减小了后级数字信号处理部分的数字域波束形成的设计复杂度以及面积和功耗。

为了实现多波束形成的功能，多波束形成射频前端芯片在输入输出端口反射系数、空域滤波、增益大小、带内增益平坦度、功耗、线性度等指标上有一些约束。其中输入输出端口反射系数、增益等指标用S参数衡量，线性度用输入ldB压缩点衡量，空域滤波性能用阵列系数衡量。多波束形成射频前端芯片的设计指标是根据实际应用的需求确定的，如表格l所示。

2.2 波束切换开关设计

波束切换电路的主要功能是完成相控阵波束形成网络输出的多波束的路径选择和切换，它的核心电路为开关阵列。为了满足波束切换需求，采用了5X5的棋盘结构开关阵列，该结构如图2所示，在图中的棋盘结构上有25个开关节点，他们具有完全相同的结构，其中棋盘结构最外围带正方形的节点被定义为这个开关阵列的输入端口，带有圆圈的节点被定义为开关阵列的输出节点，而棋盘结构最中间的一点只作为传输信号的节点。需要说明的是，棋盘结构开关阵列的每一个开关节点都具有三种工作模式，他们分别是：传输信号模式、输出信号模式、传输信号加输出信号模式。正因为采用了这个具有多种工作模式的单个开关节点，该棋盘结构的开关阵列才能通过复用开关节点来实现强大的波束切换能力。

3 集成与测试

研制了宽带同时多波束形成芯片（图3）与波束切换开关芯片（图4），并与天线阵列集成，在暗室中测试同时多波束性能（图5），实现-45°、-15°、15°、45°同时四波束，如图6所示。

4 小结

本文将相控阵模拟和数字相结合进行混合波束形成设计，在减少硬件和功耗成本的同时还可以使得系统的性能损失较少，同时具有灵活升级、可扩充、可重构等特点，具有广阔的应用前景。

参考文献：

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

[2]吴曼青，曹锐，陶小辉，等.世界最大综合孔径望远镜SKA低频数字阵列系统研究[J].中国科学：信息科学，2015，45（12）：1600-1614.

作者简介：陶小辉（1981-），男，高级工程师，博士在读，研究方向：主要从事孔径阵列系统硬件实现;李庄（1983-），男，博士，高级工程师，研究方向：硅基MMIC设计;荣大伟（1978-），女，研究生，高级工程师，研究方向：主要从事孔径阵列系统硬件实现;姜力晖（1991-），女，研究生，工程师，研究方向：主要从事孔径阵列系统研究;曹锐（1976-），男，博士，研究员，研究万向：雷达阵列技术。