本文介紹相位陣列混合波束成形架構(gòu)中接收器動態(tài)范圍指標(biāo)的測量與分析的比較。測量使用32通道開發(fā)平臺進行驗證分析。本文上篇回顧子陣列波束成形接收器的分析，重點是處理類比子陣列中訊號合并點處的訊號增益與雜訊增益之間的差異；下篇則分析開發(fā)平臺接收器性能，并與測量結(jié)果進行比較。最後，就觀察結(jié)果討論，藉以提供一個可用於預(yù)測更大系統(tǒng)性能的測量與建模基準(zhǔn)。

相位陣列波束成形架構(gòu)大致可分為類比波束成形系統(tǒng)、數(shù)位波束成形系統(tǒng)或以上兩者的某種組合采用類比子陣列，經(jīng)過數(shù)位文書處理後形成最終天線波束方向圖。後一類（基於數(shù)位組合的子陣列）結(jié)合類比和數(shù)位波束成形，通常稱為混合波束成形。

在業(yè)界對軟體定義天線的探索中，人們希??實現(xiàn)全數(shù)位相位陣列，以便大幅提高天線方向圖的可編程性。在實踐中，特別是隨著頻率提高，封裝、功耗和數(shù)位處理方面的挑戰(zhàn)迫使人們減少數(shù)位通道數(shù)。混合波束成形緩解了建置工程師常常面對的數(shù)位通道密度需求，因此可能會在未來某個時間作為一種實用方案出現(xiàn)。1

圖1展示一個代表性混合波束成形架構(gòu)，顯示該架構(gòu)中包含的主要子系統(tǒng)。大多數(shù)混合波束成形系統(tǒng)都是此一概念的某種變體。從右到左觀察框圖，可以直覺理解該架構(gòu)：空中的波前入射到天線元件，經(jīng)過微波電路到達資料轉(zhuǎn)換器，再進行數(shù)位文書處理後形成最終的數(shù)位波束資料。框圖將混合波束成形架構(gòu)展示為七個子系統(tǒng)的組合：

1.天線元件：將空中的微波能量轉(zhuǎn)換為同軸介質(zhì)上的微波訊號。

2.發(fā)射/接收（T/R）模組：包含接收低雜訊放大器（LNA）和發(fā)射高功率放大器（HPA），以及用於在發(fā)射和接收之間進行選擇的開關(guān)。

3.類比波束成形：將選定數(shù)量的元件組合成一個類比子陣列。

4.微波上/下變頻：如果工作頻率大於資料轉(zhuǎn)換器的工作范圍，則使用頻率轉(zhuǎn)換將工作頻率轉(zhuǎn)換為適合資料轉(zhuǎn)換器處理的中頻（IF）。

5.資料轉(zhuǎn)換器：將微波頻率轉(zhuǎn)換為數(shù)位。

6.數(shù)位上/下變頻：隨著高速資料轉(zhuǎn)換器的普及，資料轉(zhuǎn)換器的速率通常大於處理頻寬所需的速率。使用資料轉(zhuǎn)換器積體電路（IC）中嵌入的數(shù)位上/下變頻特性，將同相/正交相位（I/Q）資料流程降低到與應(yīng)用的處理頻寬相稱的較低速率，可以節(jié)省系統(tǒng)功耗。

7.數(shù)位波束成形：最後，將I/Q資料流程加權(quán)合并，形成最終的數(shù)位波束資料。

圖1 : 混合波束成形RF一般框圖

微波工程師在混合波束成形架構(gòu)中面臨的挑戰(zhàn)之一，是隨著系統(tǒng)架構(gòu)的演變進行性能預(yù)測。串聯(lián)微波分析相關(guān)文獻非常完備，數(shù)位波束成形測量也有文獻記載，但實測與建模得到的混合波束成形微波指標(biāo)比較方面的文獻還很有限，缺乏一個用於外推到更大系統(tǒng)設(shè)計的基準(zhǔn)。

本文將討論混合波束成形系統(tǒng)的接收器動態(tài)范圍分析，并比較一個32元件混合波束成形測試平臺的測量值和預(yù)測值。最初開發(fā)的混合波束成形原型平臺是為了在一個代表性架構(gòu)中驗證IC設(shè)計，并支援X波段（8 GHz至12 GHz）相位陣列架構(gòu)的快速原型設(shè)計。

然而，隨著表徵的開始，很明顯需要一種系統(tǒng)性預(yù)測性能指標(biāo)的方法。我們的目的是記述分析方法以及測量資料的比較，使工程師能夠利用一個經(jīng)表徵的基準(zhǔn)來建構(gòu)類似但更大的系統(tǒng)。

原型硬體

我們開發(fā)了一個32元件的混合波束成形原型平臺5，如圖2所示。詳細(xì)訊號鏈如圖3所示。

圖2 : X波段（8 GHz至12 GHz）相位陣列原型設(shè)計和開發(fā)系統(tǒng)

圖3 : 原型硬體詳細(xì)框圖

前端由32個發(fā)射/接收模組和8個類比波束成形IC（BFIC）組成。兩個BFIC輸出組合產(chǎn)生四個8元件子陣列。四個子陣列連接到一個4通道微波上/下變頻器。該4通道微波上/下變頻器再連接到一個包含四個類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）和四個數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器（DAC）的數(shù)位轉(zhuǎn)換器IC。ADC以4 GSPS采樣，而DAC以12 GSPS采樣。

微波頻率設(shè)定為8 GHz至12 GHz。內(nèi)部本振（LO）設(shè)定為具有固定IF（中心頻率為4.5 GHz）的高端LO。在該IF頻率時，ADC在第三奈奎斯特區(qū)進行采樣。

利用一個商用FPGA板進行資料擷取，我們開發(fā)一個MATLAB電腦控制介面，以便能夠在真實硬體中快速表徵模擬波形。資料分析及後續(xù)處理在MATLAB中進行。

類比子陣列串聯(lián)分析

除訊號合并點外，所有傳統(tǒng)級聯(lián)方程均適用於類比子陣列的級聯(lián)分析。如果訊號在合并點處的幅度和相位匹配，并且雜訊不相關(guān)，那麼訊號增益和雜訊增益將不同。因此，需要一種方法來以不同方式追蹤這些項目。

所用方法

圖4說明了所使用的方法。圖4a顯示了訊號增益和雜訊增益分開的點。真正的合并器具有??入損耗項和理論合并項。這可以用圖4b來解釋。最後，如果追蹤雜訊溫度（如圖4c所示），那麼可以在每一級的輸入和輸出端追蹤雜訊功率。

圖4 : 一種用於模擬相關(guān)合并的串聯(lián)分析方法：分別追蹤訊號增益和雜訊增益。追蹤元件雜訊溫度和折合到輸入端的元件雜訊功率提供了一種分別追蹤這些增益項的方法。

為了計算任意級輸出端的雜訊功率，須將元件折合到輸入端的雜訊與輸入雜訊線性相加，然後轉(zhuǎn)換回dBm/Hz并加到元件雜訊增益上。

圖5 : 方程式1

要根據(jù)元件雜訊系數(shù)計算折合到輸入端雜訊，須計算雜訊溫度并轉(zhuǎn)換為折合到輸入端的雜訊功率。

雜訊溫度（T_e）可以根據(jù)元件雜訊系數(shù)計算：

圖6 : 方程式2

其中T為環(huán)境溫度（單位為K）。

根據(jù)雜訊溫度可以計算折合到輸入端的元件雜訊：

圖7 : 方程式3

其中k為玻爾茲曼常數(shù)。

相關(guān)合并的直覺描述

訊號與雜訊合并的直覺視圖有助於理解該方法的目的。首先假設(shè)校準(zhǔn)已執(zhí)行，因此所有訊號的幅度和相位都匹配，并且雜訊不相關(guān)，但幅度也相等，合并器輸入端的所有通道都是如此。

如果僅致能了部分元件（校準(zhǔn)或各種測試和除錯配置常常就是這種情況），那麼還需要一種方法來追蹤結(jié)果。

訊號和雜訊輸出位準(zhǔn)可以計算如下：

訊號功率 = 輸入功率 + 訊號增益

訊號增益 = 20log（開啟的通道數(shù)）- ??入損耗 - 10log（合并器輸

入埠數(shù)）

雜訊功率 = 輸入雜訊功率 + 雜訊增益

雜訊增益 = 10log（開啟的通道數(shù)）- ??入損耗 - 10log（合并器輸

入埠數(shù)）

注意此種方法的結(jié)果。表1總結(jié)若干類比合并器通道數(shù)的訊號增益和雜訊增益，既有每個輸入都通電和校準(zhǔn)的情況，也有僅一個輸入通電和校準(zhǔn)而其他埠端接的情況。

級聯(lián)試算表

我們使用所描述的方法建立圖8的級聯(lián)試算表，其中包括關(guān)於追蹤已致能元件數(shù)量的規(guī)定。圖中既顯示單一元件致能的情況，也顯示八個元件致能的情況。

圖8 : 串聯(lián)計算

在資料轉(zhuǎn)換器擷取資料後，對數(shù)位資料進行快速傅立葉變換（FFT），進而得到測量結(jié)果，因此結(jié)果中包含資料轉(zhuǎn)換器規(guī)格。追蹤的最終指標(biāo)是ADC指標(biāo)，稱為接收器輸入。為了快速驗證測量結(jié)果，還計算了給定輸入功率的預(yù)期FFT幅度和互調(diào)產(chǎn)物。

（本文作者為ADI技術(shù)主管Peter Delos、應(yīng)用工程師Sam Ringwood及首席電氣設(shè)計工程師Michael Jones）