高级双波束形成 DAC 使智能微波天线更进一步

  技术。其原因是在较高的毫米波频率下，自由空间射频衰减增加。如果将这些频率用于增加系统带宽和数据吞吐量，在没有主动转向方法的情况下，跨信道干扰和丢失链路的可能性会增加。

  最近，法国 Teledyne e2v 公司和德国 Fraunhofer IIS 研究所之间的一项技术合作评估了四通道数字转向 2.4 GHz 平面天线系统的性能。其中，一对最先进的、支持 GHz 的数模转换器(EV12DD700)具有一系列新颖的片上数字波束形成控制功能，提供了数字波束转向控制。这项评估的目的是进一步验证 Teledyne e2v 在微波射频软件化方面的进展。

  实验结果与最初的设计假设相吻合。此外，对于特定的波束形成功能，DAC 被证明是高度通用的。DAC 在片内和片间的同步能力是一个重要的特点，可能会在未来几年内加速智能天线 简介

  方法和技术。使用波长在毫米范围内的更高频率，着重于减少干扰，并有效利用辐射功率和频谱，是改进当代

  因此，在大多数关于大规模 MIMO、5G 和卫星通信应用的讨论中出现数字波束形成也就不足为奇了。波束形成描述了从固定天线阵列进行电子射频转向，由此减少跨信道干扰，同时提升整体传输质量、数据吞吐量和连接可靠性。

  控制的需求，本文提出了一种基于一对最先进的数模转换器(EV12DD700)的多通道数字波束形成的方案。所使用的新型数字转换 IC 提供了一些创新的思路，大多分布在在简化波束控制管理系统的设计上。

  理论的各向同性辐射体有助于简化天线设计计算，并为测量实际天线的辐射方向图提供参考点。图 1 的极坐标图中的蓝色曲线描述了理想的辐射体。虽然现实中各向同性辐射体并不存在，但这一概念有助于我们理解天线的一般行为。

  电磁波束形成和转向利用了干涉理论物理学的一个关键结论。当两个或两个以上的能量源产生一系列波阵面时，就会出现相长干涉或相消干涉的波形。这种波形在振幅和相位上变化。对这种“叠加”的数学处理表明，当点源之间的间距是激励信号频率波长的整数倍时(假设信号源之间的相干性)，波阵面得到最大的加强。您可以直观地看出，波阵面干扰提供了一种引导和转向射频功率的方法，可用于波束形成系统。

  图 2 点 P的球坐标系(LHS)及点 P的远场波阵面(RHS)的路径差

  图 2 中特别标出了叠加。点 P 在距离辐射体 r 处可见。在图 2 (LHS)中，极坐标在三维空间中定位 P。在图 2 (RHS)中，可以识 别出一个由五个元素组成的平面阵列，其中 P 位于远场。根据叠加原理，将多个单独辐射体的场叠加在一起，在电磁波结构重叠 处，即相位相同处，得到的远场辐射信号强度最大。这种期望的行为能部分地通过单个天线元件的巧妙组合或经过控制天线激 励信号的电气特性(相位及其幅度)来实现。

  具有 n 个相同的单微带元件的平面阵列的总辐射特性表示为群因子与单个辐射体的辐射特性的乘积。在单个元素不具有高 指向性的情况下，这种群体特征占主导地位，如图 5 所示。主瓣功率明显高于所示的三个侧瓣。

  图 5 λ/2 (LHS) &λ (RHS)单元间距下波束的极坐标图和天线 中的两个极坐标图显示了不同的单元间距对主波束和旁瓣形成的影响。在图 5 中，左侧是半波长间隔，右侧是整数波 长间隔。在这种情况下，半波间隔是更好的选择，它能提供更少和衰减更大的侧瓣。

  当侧瓣出现高度衰减时，方向转向效果最好：这降低了与其他载波干扰的可能性。抑制不需要的侧瓣的一种简单方法是逐 渐衰减。将输入信号幅度分布调整到线性阵列可以产生期望的、高度衰减的旁瓣。两个著名的波瓣分布特性分别是道尔夫- 切比雪夫，它使所有的侧瓣达到相同的振幅，以及泰勒，它产生可调的侧瓣阻尼，这在部署大型阵列时特别有用。

  数字信号处理的最新进展意味着 GHz 信号可以完全在数字领域进 行处理。因此，驱动每个天线的信号参数的权重可以不同，并由 系统计算确定。这种方法具有非常明显的设计和性能优势。例如:

  Teledyne e2v 的同步链是一种新型的同步解决方案，能轻松地跨大量通道进行菊花链同步。同步信号源由信号处理主芯片提供——通常是 FPGA。同步信号是一次脉冲，而不是精确时钟，因此在印刷电路中配置它是一件轻而易举的事情。每个来自设备的同步信号都基于单个设备的延迟重新同步。该方法需要初始设置校准，但一旦执行，无论链中的设备数量如何，所有设备都将具有确定的相位对齐特性。

  这款数模转换器(DAC)源于欧洲 INTERSTELLAR1 项 目，型号是 EV12DD700，它是一款 Ka 波段双核转换 器，具有 25GHz 的 3dB 带宽。转换器具有可切换的 8 位或 12 位分辨率和 12Gsps 的转换率。通过三种输出 模式(NRZ、RF 和 2RF)，可以将输出信号功率优化到 特定的奈奎斯特区，如图 6 的特性曲线RF 模式将有效输出功率扩展到 6 至 26 GHz 的范围 内。它采用低开销、免 license 的 ESIstream 协议，实 现了高速串行通道接口(HSSL)，用于用户数据传输。ESIstream 可保证低链路延迟、DC 平衡、最大数据运 行长度和确定的链路同步

  此外，这款 DAC 对于波束形成很有用，因为它提供了几个强大的数字信号处理功能：

  此外，这款 DAC 提供了一个数字巴特勒矩阵——一个可以在数字域中为单个信号路径调整信号幅度和相位的功能模块。这 个功能模块是实现数字波束形成的核心。另一个关键的系统级特性是同步(SYNC)链，在图 7 中用红色标记。该特性可确保 在整个大规模多通道系统中保持信道相位同步(见侧栏)。波束转向要求相对信号相位的误差尽可能小，因而这对于波束转 向应用非常有用。

  Andromeda 片上系统(SoC)软件通过串行外设接口(SPI)与一对宽带 DAC 通信。后端软件也能够最终靠 HSSL 链接访问通用输入/ 输出(GPIO)引脚。这提供了 FPGA 和其他外设之间的直接数据通信。主时钟提供 DAC 的采样时钟和 DSP 时钟。SoC 提供所有 重要的同步信号。与电路板的通信是通过后端软件进行的，后端软件提供了一个应用程序接口来处理命令和参数，将它们转换为 电路板和设备特定的配置。

  复杂数值振荡器(NCO)具有 32 位频率分辨率。该模块还提供直接数字合成(DDS)模式，产生连续波或啁啾模式——两者都 是用户可选择的。波束形成控制包括-8.5 到 7.5 采样的可编程延迟级，7 位分数延迟分辨率和±12.5%范围的可编程增益 级，10 位分辨率。为了补偿产生的输出脉冲形状，反 SINC 滤波器提供了两个可编程系数。

  这款 DAC 的 25GHz 的带宽会产生很高的数据吞吐 率。这款 DAC 配备了上变频和可调插值功能，以 缓解这种潜在的数据瓶颈。用户都能够使用三个阶段 的插值。通过上采样和数字滤波，每个阶段的数据 采样率可以加倍。采用四级法罗滤波器，确保滤波 器延迟与上变频各级的插值系数相匹配。插值器的 复合传递函数如图 9 所示。图 9 的下半部分显示了 通带特性的扩展。

  输出信号由数字模式文件指定给 DAC。这些文件包含每个样本的信号幅度数据。由于两个通道的波形模式是相同的，数据 只需要传输到一个核心，传输数据吞吐量减半。还需要注意的是，简单的测试波形(正弦波、方波或三角波)能够最终靠指定频 率、幅度和其他信号参数的 DDS 模块直接在板载 DAC 上生成。

  DAC 的配置是通过 SPI 寄存器建立的。每个 DAC 核心的信号幅度和延迟设置寄存器有四个副本，允许存储四个单独的信 号配置文件。当使能时，这些预加载的“区域”能够最终靠触发事件在 DAC 中快速切换，实现快速波束跳变。区域之间的切换 既可以是相位连续的，也可以是相位不连续的。

  板载数控振荡器(NCO)可实现数字上变频。NCO 生成正弦波函数。为此，NCO 使用了查找表和 CORDIC(坐标旋转数字计 算机)算法的组合。对于每个时钟信号，都将一个设定的相位值添加到片上相位累加器中。高位直接来自查找表，低位则来 源于 CORDIC。这样，DAC 提供了核心数字功能来控制射频域的波束转向。

  我们对振幅衰减进行了评估。实验根据结果得出，能更加进一步实现-3 dB 的旁瓣衰减，如图 11 所示：

  该项目表明，EV12DD700 提供了用于实现一个简单的平面微带天线的射频波束转向的所有必要的控制功能。该项目集中于模拟一个简单的四元微带阵列的预期性能并建立一个数字控制管理系统。该项目的实际实现利用了 Teledyne e2v 的EV12DD700 双 25GHz DAC——一款可提供全套可编程波束形成功能的器件。

  射频测量有助于确定模型性能和测量性能之间的差异。实验出现了几个改进的方面。总体而言，理论和实践结果吻合良好。逐渐衰减的旁瓣效果很好。此外，DAC 的相位和信号幅度控制的粒度是非常理想的。测试时需仔细匹配电缆长度，以确保跨通道的关键信号相位匹配。DAC 的嵌入式相位控制在这里也有帮助。