【導(dǎo)讀】引導(dǎo)射頻能量越來越成為一項(xiàng)關(guān)鍵的無線電技術(shù)。其原因是在較高的毫米波頻率下，自由空間射頻衰減增加。如果將這些頻率用于增加系統(tǒng)帶寬和數(shù)據(jù)吞吐量，在沒有主動(dòng)轉(zhuǎn)向方法的情況下，跨信道干擾和丟失鏈路的可能性會(huì)增加。
01 執(zhí)行摘要
引導(dǎo)射頻能量越來越成為一項(xiàng)關(guān)鍵的無線電技術(shù)。其原因是在較高的毫米波頻率下，自由空間射頻衰減增加。如果將這些頻率用于增加系統(tǒng)帶寬和數(shù)據(jù)吞吐量，在沒有主動(dòng)轉(zhuǎn)向方法的情況下，跨信道干擾和丟失鏈路的可能性會(huì)增加。
最近，法國 Teledyne e2v 公司和德國 Fraunhofer IIS 研究所之間的一項(xiàng)技術(shù)合作評估了四通道數(shù)字轉(zhuǎn)向 2.4 GHz 平面天線系統(tǒng)的性能。其中，一對最先進(jìn)的、支持 GHz 的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(EV12DD700)具有一系列新穎的片上數(shù)字波束形成控制功能，提供了數(shù)字波束轉(zhuǎn)向控制。這項(xiàng)評估的目的是進(jìn)一步驗(yàn)證 Teledyne e2v 在微波射頻軟件化方面的進(jìn)展。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與最初的設(shè)計(jì)假設(shè)相吻合。此外，對于特定的波束形成功能，DAC 被證明是高度通用的。DAC 在片內(nèi)和片間的同步能力是一個(gè)重要的特點(diǎn)，可能會(huì)在未來幾年內(nèi)加速智能天線部署的發(fā)展
02 簡介
不斷增長的對無線電帶寬的市場需求需要新的無線電方法和技術(shù)。使用波長在毫米范圍內(nèi)的更高頻率，著重于減少干擾，并有效利用輻射功率和頻譜，是改進(jìn)當(dāng)代無線電系統(tǒng)的關(guān)鍵的技術(shù)考慮因素。
因此，在大多數(shù)關(guān)于大規(guī)模 MIMO、5G 和衛(wèi)星通信應(yīng)用的討論中出現(xiàn)數(shù)字波束形成也就不足為奇了。波束形成描述了從固定天線陣列進(jìn)行電子射頻轉(zhuǎn)向，從而減少跨信道干擾，同時(shí)提高整體傳輸質(zhì)量、數(shù)據(jù)吞吐量和連接可靠性。
為了滿足日益增長的對更先進(jìn)的無線電控制的需求，本文提出了一種基于一對最先進(jìn)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(EV12DD700)的多通道數(shù)字波束形成的方案。所使用的新型數(shù)字轉(zhuǎn)換 IC 提供了一些創(chuàng)新的思路，主要集中在簡化波束控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。
03 各向同性輻射體和基本波束形成
理論的各向同性輻射體有助于簡化天線設(shè)計(jì)計(jì)算，并為測量實(shí)際天線的輻射方向圖提供參考點(diǎn)。圖 1 的極坐標(biāo)圖中的藍(lán)色曲線描述了理想的輻射體。雖然現(xiàn)實(shí)中各向同性輻射體并不存在，但這一概念有助于我們理解天線的一般行為。
圖 1 與各向同性輻射體相比的天線性能因素(藍(lán)線)
各向同性輻射體是一種在三維空間內(nèi)均勻輻射電磁能量的理想射頻點(diǎn)源。與在特定方向上具有峰值和零值的特定輻射模式的實(shí)際天線不同，各向同性輻射體沒有方向偏差。
和天線相關(guān)的定義：
各向同性增益定義為在特定方向上輻射的功率與理想各向同性輻射體輻射的功率之比，以分貝(dBi)表示。各向同性增益衡量特定天線定向聚焦輻射能量的能力。
EIRP（有效各向同性輻射功率）是假設(shè)的各向同性輻射體在主波束方向上給出的與實(shí)際源天線等效的信號(hào)強(qiáng)度的輻射功率。
波束寬度是輻射方向圖中主瓣的角寬度。它提供了有關(guān)天線方向的信息。它是在輸出功率下降 3db 時(shí)測量的。
輸入阻抗應(yīng)與傳輸線的特性阻抗相匹配，以保證有效的功率傳輸和最小化信號(hào)反射。
電磁波束形成和轉(zhuǎn)向利用了干涉理論物理學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)論。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的能量源產(chǎn)生一系列波陣面時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)相長干涉或相消干涉的波形。這種波形在振幅和相位上變化。對這種“疊加”的數(shù)學(xué)處理表明，當(dāng)點(diǎn)源之間的間距是激勵(lì)信號(hào)頻率波長的整數(shù)倍時(shí)(假設(shè)信號(hào)源之間的相干性)，波陣面得到最大的加強(qiáng)。您可以直觀地看出，波陣面干擾提供了一種引導(dǎo)和轉(zhuǎn)向射頻功率的方法，可用于波束形成系統(tǒng)。
然而，疊加原理忽略了輻射元件之間的電磁耦合，它只是一個(gè)近似的原理。天線輻射的更精確的表示方法可以用數(shù)值方法確定。單個(gè)陣列元素有許多可能的排列方式，這些排列方式會(huì)影響輻射行為。幾何分布，元素的數(shù)量，以及它們之間的距離都是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)因素。此外，激勵(lì)信號(hào)的幅值和相位也起作用。
在點(diǎn)對點(diǎn)無線電鏈路上，高指向性是可取的，因?yàn)橄嗤斎牍β实姆秶鷷?huì)增加。您可以通過增加物理天線的幾何尺寸來實(shí)現(xiàn)這一 點(diǎn)，但幾個(gè)元素的組合也會(huì)導(dǎo)致有效天線輻射面積的增加。
圖 2 點(diǎn) P的球坐標(biāo)系(LHS)及點(diǎn) P的遠(yuǎn)場波陣面(RHS)的路徑差
圖 2 中特別標(biāo)出了疊加。點(diǎn) P 在距離輻射體 r 處可見。在圖 2 (LHS)中，極坐標(biāo)在三維空間中定位 P。在圖 2 (RHS)中，可以識(shí) 別出一個(gè)由五個(gè)元素組成的平面陣列，其中 P 位于遠(yuǎn)場。根據(jù)疊加原理，將多個(gè)單獨(dú)輻射體的場疊加在一起，在電磁波結(jié)構(gòu)重疊 處，即相位相同處，得到的遠(yuǎn)場輻射信號(hào)強(qiáng)度最大。這種期望的行為可以部分地通過單個(gè)天線元件的巧妙組合或通過控制天線激 勵(lì)信號(hào)的電氣特性(相位及其幅度)來實(shí)現(xiàn)。
由于這項(xiàng)工作主要評估了在數(shù)字系統(tǒng)(使用先進(jìn)的寬帶 DAC)中控制波束形成的能力，因此我們采用了一種等間距元素的簡 單平面輻射體布局。很容易推導(dǎo)出由這種陣列排列產(chǎn)生的群因子(增益乘數(shù))。
由此產(chǎn)生的陣列設(shè)計(jì)及其從 CST Microwave Studio (CMS)輸出的模擬輻射圖如圖 3 所示：
圖 3 實(shí)驗(yàn) 4x1微帶天線與 CMS 模擬的射頻場圖
04 一個(gè)簡單微帶貼片陣列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
具有 n 個(gè)相同的單微帶元件的平面陣列的總輻射特性表示為群因子與單個(gè)輻射體的輻射特性的乘積。在單個(gè)元素不具有高 指向性的情況下，這種群體特征占主導(dǎo)地位，如圖 5 所示。主瓣功率明顯高于所示的三個(gè)側(cè)瓣。
圖 4 4x1 貼片天線的主波束和旁瓣特性
圖 5 λ/2 (LHS) &λ (RHS)單元間距下波束的極坐標(biāo)圖和天線的側(cè)瓣
圖 5 中的兩個(gè)極坐標(biāo)圖顯示了不同的單元間距對主波束和旁瓣形成的影響。在圖 5 中，左側(cè)是半波長間隔，右側(cè)是整數(shù)波 長間隔。在這種情況下，半波間隔是更好的選擇，它能提供更少和衰減更大的側(cè)瓣。
05 逐漸衰減
當(dāng)側(cè)瓣出現(xiàn)高度衰減時(shí)，方向轉(zhuǎn)向效果最好：這降低了與其他載波干擾的可能性。抑制不需要的側(cè)瓣的一種簡單方法是逐 漸衰減。將輸入信號(hào)幅度分布調(diào)整到線性陣列可以產(chǎn)生期望的、高度衰減的旁瓣。兩個(gè)著名的波瓣分布特性分別是道爾夫- 切比雪夫，它使所有的側(cè)瓣達(dá)到相同的振幅，以及泰勒，它產(chǎn)生可調(diào)的側(cè)瓣阻尼，這在部署大型陣列時(shí)特別有用。
06 系統(tǒng)級(jí)考慮
傳統(tǒng)的波束形成方法往往由模擬信號(hào)控制。在模擬波束形成中，信號(hào)被單獨(dú)的信號(hào)移相器移相。模擬移相器使用變?nèi)荻O 管或微帶線。另外，將信號(hào)適當(dāng)?shù)嘏c混合耦合器組合，以創(chuàng)建一系列可選擇的波束。
數(shù)字信號(hào)處理的最新進(jìn)展意味著 GHz 信號(hào)可以完全在數(shù)字領(lǐng)域進(jìn) 行處理。因此，驅(qū)動(dòng)每個(gè)天線的信號(hào)參數(shù)的權(quán)重可以不同，并由 系統(tǒng)計(jì)算確定。這種方法具有顯著的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)勢。例如:
■ 無論頻率如何，信號(hào)都可以進(jìn)行時(shí)移
■ 即使在高帶寬下也可以實(shí)現(xiàn)波束形成
■ 此外，數(shù)字波束形成器可以利用多徑傳播，并根據(jù)動(dòng)態(tài)和 直接信道測量確定信道參數(shù)權(quán)重
數(shù)字波束形成提供的另一個(gè)靈活性是簡單無線電重新配置的可 能性，只需要修改數(shù)字處理，而硬件無需變動(dòng)。這是射頻軟件 化帶來的主要好處之一。
多通道同步
當(dāng)工作在超高時(shí)鐘頻率(即 GHz)時(shí)，系統(tǒng)如何確保所有信號(hào)在精確的同一時(shí)刻采樣?“同步鏈”是EV12DD700 采用的簡單有效的方法。
Teledyne e2v 的同步鏈?zhǔn)且环N新型的同步解決方案，可以輕松地跨大量通道進(jìn)行菊花鏈同步。同步信號(hào)源由信號(hào)處理主芯片提供——通常是 FPGA。同步信號(hào)是一次脈沖，而不是精確時(shí)鐘，因此在印刷電路中配置它是一件輕而易舉的事情。每個(gè)來自設(shè)備的同步信號(hào)都基于單個(gè)設(shè)備的延遲重新同步。該方法需要初始設(shè)置校準(zhǔn)，但一旦執(zhí)行，無論鏈中的設(shè)備數(shù)量如何，所有設(shè)備都將具有確定的相位對齊特性。
07 25GHz 寬帶 DAC 創(chuàng)造了新的毫米波波束形成選項(xiàng)
這款數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)源于歐洲 INTERSTELLAR1 項(xiàng) 目，型號(hào)是 EV12DD700，它是一款 Ka 波段雙核轉(zhuǎn)換 器，具有 25GHz 的 3dB 帶寬。轉(zhuǎn)換器具有可切換的 8 位或 12 位分辨率和 12Gsps 的轉(zhuǎn)換率。通過三種輸出 模式(NRZ、RF 和 2RF)，可以將輸出信號(hào)功率優(yōu)化到 特定的奈奎斯特區(qū)，如圖 6 的特性曲線所示。RF 和 2RF 模式將有效輸出功率擴(kuò)展到 6 至 26 GHz 的范圍 內(nèi)。它采用低開銷、免 license 的 ESIstream 協(xié)議，實(shí) 現(xiàn)了高速串行通道接口(HSSL)，用于用戶數(shù)據(jù)傳輸。ESIstream 可保證低鏈路延遲、DC 平衡、最大數(shù)據(jù)運(yùn) 行長度和確定的鏈路同步
圖 6 4 個(gè)奈奎斯特域的 DAC 輸出特性
此外，這款 DAC 對于波束形成非常有用，因?yàn)樗峁┝藥讉€(gè)強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能：
■ 數(shù)字上變頻(DUC)
■ 跳頻
■ 直接數(shù)字合成(DDS)
INTERSTELLAR 是 2016 年啟動(dòng)的一個(gè)項(xiàng)目。這是歐盟“地平線 2020”贊助計(jì)劃的一部分，旨在加強(qiáng)歐洲在空間應(yīng)用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域的競爭力。
此外，這款 DAC 提供了一個(gè)數(shù)字巴特勒矩陣——一個(gè)可以在數(shù)字域中為單個(gè)信號(hào)路徑調(diào)整信號(hào)幅度和相位的功能模塊。這 個(gè)功能模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束形成的核心。另一個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)級(jí)特性是同步(SYNC)鏈，在圖 7 中用紅色標(biāo)記。該特性可確保 在整個(gè)大規(guī)模多通道系統(tǒng)中保持信道相位同步(見側(cè)欄)。波束轉(zhuǎn)向要求相對信號(hào)相位的誤差盡可能小，因而這對于波束轉(zhuǎn) 向應(yīng)用非常有用。
圖 7數(shù)字波束形成器的評估系統(tǒng)和框圖
08 實(shí)驗(yàn)波束形成系統(tǒng)——通信和接口
Andromeda 片上系統(tǒng)(SoC)軟件通過串行外設(shè)接口(SPI)與一對寬帶 DAC 通信。后端軟件也可以通過 HSSL 鏈接訪問通用輸入/ 輸出(GPIO)引腳。這提供了 FPGA 和其他外設(shè)之間的直接數(shù)據(jù)通信。主時(shí)鐘提供 DAC 的采樣時(shí)鐘和 DSP 時(shí)鐘。SoC 提供所有 重要的同步信號(hào)。與電路板的通信是通過后端軟件進(jìn)行的，后端軟件提供了一個(gè)應(yīng)用程序接口來處理命令和參數(shù)，將它們轉(zhuǎn)換為 電路板和設(shè)備特定的配置。
09 特別的 DAC 波束形成特點(diǎn)
EV12DD700 雙 DAC 包含復(fù)雜的數(shù)字上變頻器(DUC)和直接數(shù)字采樣(DDS)功能。DUC 實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理路徑包括：
■ 4 x 插值環(huán)節(jié) (x1, x4, x8 和 x16)
■ 波束形成的 1x 增益和延遲環(huán)節(jié)
■ 1x SINC 補(bǔ)償
■ 跳頻表
跳頻、增益和相位、插值濾波和 SINC 補(bǔ)償模塊都是通過 SPI 控制的。
復(fù)雜數(shù)值振蕩器(NCO)具有 32 位頻率分辨率。該模塊還提供直接數(shù)字合成(DDS)模式，產(chǎn)生連續(xù)波或啁啾模式——兩者都 是用戶可選擇的。波束形成控制包括-8.5 到 7.5 采樣的可編程延遲級(jí)，7 位分?jǐn)?shù)延遲分辨率和±12.5%范圍的可編程增益 級(jí)，10 位分辨率。為了補(bǔ)償產(chǎn)生的輸出脈沖形狀，反 SINC 濾波器提供了兩個(gè)可編程系數(shù)。
圖8DAC 插值和上變頻功能
這款 DAC 的 25GHz 的帶寬會(huì)產(chǎn)生很高的數(shù)據(jù)吞吐 率。這款 DAC 配備了上變頻和可調(diào)插值功能，以 緩解這種潛在的數(shù)據(jù)瓶頸。用戶可以使用三個(gè)階段 的插值。通過上采樣和數(shù)字濾波，每個(gè)階段的數(shù)據(jù) 采樣率可以加倍。采用四級(jí)法羅濾波器，確保濾波 器延遲與上變頻各級(jí)的插值系數(shù)相匹配。插值器的 復(fù)合傳遞函數(shù)如圖 9 所示。圖 9 的下半部分顯示了 通帶特性的擴(kuò)展。
圖 970dB 插值濾波(x4,x8andx16) 和擴(kuò)展通帶
輸出信號(hào)由數(shù)字模式文件指定給 DAC。這些文件包含每個(gè)樣本的信號(hào)幅度數(shù)據(jù)。由于兩個(gè)通道的波形模式是相同的，數(shù)據(jù) 只需要傳輸?shù)揭粋€(gè)核心，傳輸數(shù)據(jù)吞吐量減半。還要注意的是，簡單的測試波形(正弦波、方波或三角波)可以通過指定頻 率、幅度和其他信號(hào)參數(shù)的 DDS 模塊直接在板載 DAC 上生成。
10 實(shí)際的波束形成操作
在系統(tǒng)啟動(dòng)和同步后，每個(gè) DAC 準(zhǔn)備通過串行數(shù)據(jù)通道(HSSL)接收數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在波束形成模式下，核心 B 的數(shù)據(jù)被送到 兩個(gè)核心。使用波束形成的基本要求是插值電平的選擇。這樣可停用一些串行通道。這非常有用，因?yàn)橥Ｓ脭?shù)據(jù)通道減少 了系統(tǒng)的能量消耗。
DAC 的配置是通過 SPI 寄存器建立的。每個(gè) DAC 核心的信號(hào)幅度和延遲設(shè)置寄存器有四個(gè)副本，允許存儲(chǔ)四個(gè)單獨(dú)的信 號(hào)配置文件。當(dāng)使能時(shí)，這些預(yù)加載的“區(qū)域”可以通過觸發(fā)事件在 DAC 中快速切換，實(shí)現(xiàn)快速波束跳變。區(qū)域之間的切換 既可以是相位連續(xù)的，也可以是相位不連續(xù)的。
板載數(shù)控振蕩器(NCO)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻。NCO 生成正弦波函數(shù)。為此，NCO 使用了查找表和 CORDIC(坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì) 算機(jī))算法的組合。對于每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，都將一個(gè)設(shè)定的相位值添加到片上相位累加器中。高位直接來自查找表，低位則來 源于 CORDIC。這樣，DAC 提供了核心數(shù)字功能來控制射頻域的波束轉(zhuǎn)向。
11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
該圖顯示了初始模擬和測試結(jié)果之間的比較。主波束寬度為 26 度，旁瓣衰減為-13 dB。測量的旁瓣定位和信號(hào)零點(diǎn)與仿真 結(jié)果吻合良好。在高角度觀測到的信號(hào)噪聲特別值得注意，這是由反射引起的。
圖 10初始測試數(shù)據(jù)（紅色）和模擬（藍(lán)色）的比較
我們對振幅衰減進(jìn)行了評估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)-3 dB 的旁瓣衰減，如圖 11 所示：
圖 11 由逐漸衰減產(chǎn)生的3 dB 旁瓣抑制
12 結(jié)論
該項(xiàng)目表明，EV12DD700 提供了用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的平面微帶天線的射頻波束轉(zhuǎn)向的所有必要的控制功能。該項(xiàng)目集中于模擬一個(gè)簡單的四元微帶陣列的預(yù)期性能并建立一個(gè)數(shù)字控制系統(tǒng)。該項(xiàng)目的實(shí)際實(shí)現(xiàn)利用了 Teledyne e2v 的EV12DD700 雙 25GHz DAC——一款可提供全套可編程波束形成功能的器件。
射頻測量有助于確定模型性能和測量性能之間的差異。實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了幾個(gè)改進(jìn)的方面。總體而言，理論和實(shí)踐結(jié)果吻合良好。逐漸衰減的旁瓣效果很好。此外，DAC 的相位和信號(hào)幅度控制的粒度是非常理想的。測試時(shí)需仔細(xì)匹配電纜長度，以確?？缤ǖ赖年P(guān)鍵信號(hào)相位匹配。DAC 的嵌入式相位控制在這里也有幫助。
一個(gè)值得注意的系統(tǒng)優(yōu)勢來自 DAC 的同步鏈。這個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然只有兩個(gè)器件同步，但菊花鏈的優(yōu)勢得到了充分的體現(xiàn)。毫無疑問，這將在未來的大型陣列部署中更加引人注目。
最后值得強(qiáng)調(diào)的是，這款 DAC 具有 25 GHz 帶寬和 12 Gsps 采樣率，在 2RF 模式下很容易將有用的 RF 功率投射到 Ka 頻段。芯片上的數(shù)字波束形成功能在這樣的頻率上同樣適用。這些功能標(biāo)志著微波射頻軟件化和智能寬帶微波天線時(shí)代的到來。
參考文獻(xiàn)：
● Performanz von integriertem und kombiniertem Beamforming mittels Digital-Analog-Umsetzern by Jan Raab -Performance of integrated and combined beamforming using digital-to-analog converters by Jan Raab, 22/9/22 incollaboration with FraunhoferIIS,Erlangen, Germany.
● EV12DD700 Dual channel Ka-band capable 12 GSps DAC Datasheet
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