【導讀】引導射頻能量越來越成為一項關鍵的無線電技術。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帶寬和數據吞吐量，在沒有主動轉向方法的情況下，跨信道干擾和丟失鏈路的可能性會增加。
01 執行摘要
引導射頻能量越來越成為一項關鍵的無線電技術。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帶寬和數據吞吐量，在沒有主動轉向方法的情況下，跨信道干擾和丟失鏈路的可能性會增加。
最近，法國 Teledyne e2v 公司和德國 Fraunhofer IIS 研究所之間的一項技術合作評估了四通道數字轉向 2.4 GHz 平面天線系統的性能。其中，一對最先進的、支持 GHz 的數模轉換器(EV12DD700)具有一系列新穎的片上數字波束形成控制功能，提供了數字波束轉向控制。這項評估的目的是進一步驗證 Teledyne e2v 在微波射頻軟件化方面的進展。
實驗結果與最初的設計假設相吻合。此外，對于特定的波束形成功能，DAC 被證明是高度通用的。DAC 在片內和片間的同步能力是一個重要的特點，可能會在未來幾年內加速智能天線部署的發展
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。使用波長在毫米范圍內的更高頻率，著重于減少干擾，并有效利用輻射功率和頻譜，是改進當代無線電系統的關鍵的技術考慮因素。
因此，在大多數關于大規模 MIMO、5G 和衛星通信應用的討論中出現數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行電子射頻轉向，從而減少跨信道干擾，同時提高整體傳輸質量、數據吞吐量和連接可靠性。
為了滿足日益增長的對更先進的無線電控制的需求，本文提出了一種基于一對最先進的數模轉換器(EV12DD700)的多通道數字波束形成的方案。所使用的新型數字轉換 IC 提供了一些創新的思路，主要集中在簡化波束控制系統的設計上。
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計計算，并為測量實際天線的輻射方向圖提供參考點。圖 1 的極坐標圖中的藍色曲線描述了理想的輻射體。雖然現實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(藍線)
各向同性輻射體是一種在三維空間內均勻輻射電磁能量的理想射頻點源。與在特定方向上具有峰值和零值的特定輻射模式的實際天線不同，各向同性輻射體沒有方向偏差。
和天線相關的定義：
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）是假設的各向同性輻射體在主波束方向上給出的與實際源天線等效的信號強度的輻射功率。
波束寬度是輻射方向圖中主瓣的角寬度。它提供了有關天線方向的信息。它是在輸出功率下降 3db 時測量的。
輸入阻抗應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反射。
電磁波束形成和轉向利用了干涉理論物理學的一個關鍵結論。當兩個或兩個以上的能量源產生一系列波陣面時，就會出現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”的數學處理表明，當點源之間的間距是激勵信號頻率波長的整數倍時(假設信號源之間的相干性)，波陣面得到最大的加強。您可以直觀地看出，波陣面干擾提供了一種引導和轉向射頻功率的方法，可用于波束形成系統。
然而，疊加原理忽略了輻射元件之間的電磁耦合，它只是一個近似的原理。天線輻射的更精確的表示方法可以用數值方法確定。單個陣列元素有許多可能的排列方式，這些排列方式會影響輻射行為。幾何分布，元素的數量，以及它們之間的距離都是關鍵的設計因素。此外，激勵信號的幅值和相位也起作用。
在點對點無線電鏈路上，高指向性是可取的，因為相同輸入功率的范圍會增加。您可以通過增加物理天線的幾何尺寸來實現這一 點，但幾個元素的組合也會導致有效天線輻射面積的增加。
圖 2 點 P的球坐標系(LHS)及點 P的遠場波陣面(RHS)的路徑差
圖 2 中特別標出了疊加。點 P 在距離輻射體 r 處可見。在圖 2 (LHS)中，極坐標在三維空間中定位 P。在圖 2 (RHS)中，可以識 別出一個由五個元素組成的平面陣列，其中 P 位于遠場。根據疊加原理，將多個單獨輻射體的場疊加在一起，在電磁波結構重疊 處，即相位相同處，得到的遠場輻射信號強度最大。這種期望的行為可以部分地通過單個天線元件的巧妙組合或通過控制天線激 勵信號的電氣特性(相位及其幅度)來實現。
由于這項工作主要評估了在數字系統(使用先進的寬帶 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。很容易推導出由這種陣列排列產生的群因子(增益乘數)。
由此產生的陣列設計及其從 CST Microwave Studio (CMS)輸出的模擬輻射圖如圖 3 所示：
圖 3 實驗 4x1微帶天線與 CMS 模擬的射頻場圖
04 一個簡單微帶貼片陣列的實驗結果
具有 n 個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輻射體的輻射特性的乘積。在單個元素不具有高 指向性的情況下，這種群體特征占主導地位，如圖 5 所示。主瓣功率明顯高于所示的三個側瓣。
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圖和天線的側瓣
圖 5 中的兩個極坐標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，左側是半波長間隔，右側是整數波 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瓣。
05 逐漸衰減
當側瓣出現高度衰減時，方向轉向效果最好：這降低了與其他載波干擾的可能性。抑制不需要的側瓣的一種簡單方法是逐 漸衰減。將輸入信號幅度分布調整到線性陣列可以產生期望的、高度衰減的旁瓣。兩個著名的波瓣分布特性分別是道爾夫- 切比雪夫，它使所有的側瓣達到相同的振幅，以及泰勒，它產生可調的側瓣阻尼，這在部署大型陣列時特別有用。
06 系統級考慮
傳統的波束形成方法往往由模擬信號控制。在模擬波束形成中，信號被單獨的信號移相器移相。模擬移相器使用變容二極 管或微帶線。另外，將信號適當地與混合耦合器組合，以創建一系列可選擇的波束。
數字信號處理的最新進展意味著 GHz 信號可以完全在數字領域進 行處理。因此，驅動每個天線的信號參數的權重可以不同，并由 系統計算確定。這種方法具有顯著的設計和性能優勢。例如:
■ 無論頻率如何，信號都可以進行時移
■ 即使在高帶寬下也可以實現波束形成
■ 此外，數字波束形成器可以利用多徑傳播，并根據動態和 直接信道測量確定信道參數權重
數字波束形成提供的另一個靈活性是簡單無線電重新配置的可 能性，只需要修改數字處理，而硬件無需變動。這是射頻軟件 化帶來的主要好處之一。
多通道同步
當工作在超高時鐘頻率(即 GHz)時，系統如何確保所有信號在精確的同一時刻采樣?“同步鏈”是EV12DD700 采用的簡單有效的方法。
Teledyne e2v 的同步鏈是一種新型的同步解決方案，可以輕松地跨大量通道進行菊花鏈同步。同步信號源由信號處理主芯片提供——通常是 FPGA。同步信號是一次脈沖，而不是精確時鐘，因此在印刷電路中配置它是一件輕而易舉的事情。每個來自設備的同步信號都基于單個設備的延遲重新同步。該方法需要初始設置校準，但一旦執行，無論鏈中的設備數量如何，所有設備都將具有確定的相位對齊特性。
07 25GHz 寬帶 DAC 創造了新的毫米波波束形成選項
這款數模轉換器(DAC)源于歐洲 INTERSTELLAR1 項 目，型號是 EV12DD700，它是一款 Ka 波段雙核轉換 器，具有 25GHz 的 3dB 帶寬。轉換器具有可切換的 8 位或 12 位分辨率和 12Gsps 的轉換率。通過三種輸出 模式(NRZ、RF 和 2RF)，可以將輸出信號功率優化到 特定的奈奎斯特區，如圖 6 的特性曲線所示。RF 和 2RF 模式將有效輸出功率擴展到 6 至 26 GHz 的范圍 內。它采用低開銷、免 license 的 ESIstream 協議，實 現了高速串行通道接口(HSSL)，用于用戶數據傳輸。ESIstream 可保證低鏈路延遲、DC 平衡、最大數據運 行長度和確定的鏈路同步
圖 6 4 個奈奎斯特域的 DAC 輸出特性
此外，這款 DAC 對于波束形成非常有用，因為它提供了幾個強大的數字信號處理功能：
■ 數字上變頻(DUC)
■ 跳頻
■ 直接數字合成(DDS)
INTERSTELLAR 是 2016 年啟動的一個項目。這是歐盟“地平線 2020”贊助計劃的一部分，旨在加強歐洲在空間應用數字數據轉換器領域的競爭力。
此外，這款 DAC 提供了一個數字巴特勒矩陣——一個可以在數字域中為單個信號路徑調整信號幅度和相位的功能模塊。這 個功能模塊是實現數字波束形成的核心。另一個關鍵的系統級特性是同步(SYNC)鏈，在圖 7 中用紅色標記。該特性可確保 在整個大規模多通道系統中保持信道相位同步(見側欄)。波束轉向要求相對信號相位的誤差盡可能小，因而這對于波束轉 向應用非常有用。
圖 7數字波束形成器的評估系統和框圖
08 實驗波束形成系統——通信和接口
Andromeda 片上系統(SoC)軟件通過串行外設接口(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 和其他外設之間的直接數據通信。主時鐘提供 DAC 的采樣時鐘和 DSP 時鐘。SoC 提供所有 重要的同步信號。與電路板的通信是通過后端軟件進行的，后端軟件提供了一個應用程序接口來處理命令和參數，將它們轉換為 電路板和設備特定的配置。
09 特別的 DAC 波束形成特點
EV12DD700 雙 DAC 包含復雜的數字上變頻器(DUC)和直接數字采樣(DDS)功能。DUC 實現的信號處理路徑包括：
■ 4 x 插值環節 (x1, x4, x8 和 x16)
■ 波束形成的 1x 增益和延遲環節
■ 1x SINC 補償
■ 跳頻表
跳頻、增益和相位、插值濾波和 SINC 補償模塊都是通過 SPI 控制的。
復雜數值振蕩器(NCO)具有 32 位頻率分辨率。該模塊還提供直接數字合成(DDS)模式，產生連續波或啁啾模式——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，7 位分數延遲分辨率和±12.5%范圍的可編程增益 級，10 位分辨率。為了補償產生的輸出脈沖形狀，反 SINC 濾波器提供了兩個可編程系數。
圖8DAC 插值和上變頻功能
這款 DAC 的 25GHz 的帶寬會產生很高的數據吞吐 率。這款 DAC 配備了上變頻和可調插值功能，以 緩解這種潛在的數據瓶頸。用戶可以使用三個階段 的插值。通過上采樣和數字濾波，每個階段的數據 采樣率可以加倍。采用四級法羅濾波器，確保濾波 器延遲與上變頻各級的插值系數相匹配。插值器的 復合傳遞函數如圖 9 所示。圖 9 的下半部分顯示了 通帶特性的擴展。
圖 970dB 插值濾波(x4,x8andx16) 和擴展通帶
輸出信號由數字模式文件指定給 DAC。這些文件包含每個樣本的信號幅度數據。由于兩個通道的波形模式是相同的，數據 只需要傳輸到一個核心，傳輸數據吞吐量減半。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、幅度和其他信號參數的 DDS 模塊直接在板載 DAC 上生成。
10 實際的波束形成操作
在系統啟動和同步后，每個 DAC 準備通過串行數據通道(HSSL)接收數字數據。在波束形成模式下，核心 B 的數據被送到 兩個核心。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，因為停用數據通道減少 了系統的能量消耗。
DAC 的配置是通過 SPI 寄存器建立的。每個 DAC 核心的信號幅度和延遲設置寄存器有四個副本，允許存儲四個單獨的信 號配置文件。當使能時，這些預加載的“區域”可以通過觸發事件在 DAC 中快速切換，實現快速波束跳變。區域之間的切換 既可以是相位連續的，也可以是相位不連續的。
板載數控振蕩器(NCO)可實現數字上變頻。NCO 生成正弦波函數。為此，NCO 使用了查找表和 CORDIC(坐標旋轉數字計 算機)算法的組合。對于每個時鐘信號，都將一個設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 提供了核心數字功能來控制射頻域的波束轉向。
11 實驗結果
該圖顯示了初始模擬和測試結果之間的比較。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零點與仿真 結果吻合良好。在高角度觀測到的信號噪聲特別值得注意，這是由反射引起的。
圖 10初始測試數據（紅色）和模擬（藍色）的比較
我們對振幅衰減進行了評估。實驗結果表明，可以進一步實現-3 dB 的旁瓣衰減，如圖 11 所示：
圖 11 由逐漸衰減產生的3 dB 旁瓣抑制
12 結論
該項目表明，EV12DD700 提供了用于實現一個簡單的平面微帶天線的射頻波束轉向的所有必要的控制功能。該項目集中于模擬一個簡單的四元微帶陣列的預期性能并建立一個數字控制系統。該項目的實際實現利用了 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。實驗出現了幾個改進的方面。總體而言，理論和實踐結果吻合良好。逐漸衰減的旁瓣效果很好。此外，DAC 的相位和信號幅度控制的粒度是非常理想的。測試時需仔細匹配電纜長度，以確保跨通道的關鍵信號相位匹配。DAC 的嵌入式相位控制在這里也有幫助。
一個值得注意的系統優勢來自 DAC 的同步鏈。這個實驗雖然只有兩個器件同步，但菊花鏈的優勢得到了充分的體現。毫無疑問，這將在未來的大型陣列部署中更加引人注目。
最后值得強調的是，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。芯片上的數字波束形成功能在這樣的頻率上同樣適用。這些功能標志著微波射頻軟件化和智能寬帶微波天線時代的到來。
參考文獻：
● 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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