近年來，數字波束成形相控陣技術大量涌現。該技術已經被軍事和商業應用所產生，以及組件級RF集成的快速發展。

盡管有大量關于大規模MIMO和汽車雷達的討論，但不應該忘記大多數最近的雷達開發和波束形成R＆amp; D已經在國防工業中，現在它正在適應商業應用。雖然相位陣列和波束成形從21世紀初的研發工作轉變為現實，但現在預計會出現新一波防御聚焦陣列，工業技術提供的解決方案往往成本過高。

通用波束成形相控陣信號流程如圖2所示。根據孔徑大小，功率和天線方向圖要求，在系統架構師級別選擇元件數量。前端模塊位于每個天線元件后面。

模擬波束成形層位于前端模塊后面。在經典相位陣列中，模擬波束形成子系統將所有元素組合到集中接收器通道。每個元件數字波束形成相控陣在每個前端模塊后面都有波形發生器和接收器，并且模擬波束形成層被消除。在當今的許多系統中，某種程度的模擬波束形成是常見的。波形發生器和接收器通道用于將數字數據轉換為工作頻帶RF頻率。通過首先均衡通道，然后將相移和幅度權重應用于ADC數據，然后對陣列上的ADC數據求和，來完成數字波束成形。許多光束可以同時形成，僅受數字處理能力的限制。

ADI公司為波束成形系統的每個部分提供解決方案，包括模擬和數字波束成形架構。

模擬與數字波束成形的挑戰

數字波束成形相控陣的目標是為一組接收機數據同時生成許多天線模式。圖3顯示了天線模式一個元素，一個子陣列中的組合元素，以及天線級別的波束形成數據。

子陣列方法的主要障礙是波束形成數據必須在子陣列的模式內。使用單個子陣列，不能以廣泛不同的角度生成同時的圖案。希望消除模擬波束形成器并產生非線性元件數字波束形成系統，并且利用當今的技術，現在可以在L波段和S波段使用。在更高的頻率，尺寸和功率限制通常需要一定程度的模擬波束形成。然而，任務仍然接近元素數字波束形成，這對波形發生器和接收器提出了很高的要求。

雖然波束形成挑戰提出了要求在波形發生器和接收器上減小尺寸和功率，同時需要增加大多數系統應用的帶寬。這些目標相互對立，因為增加的帶寬通常需要額外的電流和額外的電路復雜性。

數字波束成形依賴于分布式波形發生器和接收器通道的相干相加。這對許多信道的同步和噪聲貢獻的系統分配都提出了額外的挑戰。

RF信號鏈

表1顯示了目前正在使用的一些最常見的接收器架構。超外差，直接采樣和直接轉換結構構成了大多數RF系統的基礎。雖然只顯示了接收者，但拓撲也適用于波形生成器信號鏈

超外差方法已經存在了近百年，經過充分驗證并提供了卓越的性能。不幸的是，它也是最復雜的。它通常需要相對于可用帶寬的最大功率和最大物理占用空間，并且頻率規劃可以在大分數帶寬上非常具有挑戰性。

長期以來一直在尋求直接采樣方法，以與直接RF采樣相當的速度運行轉換器并實現大輸入帶寬的障礙。

今天，轉換器可用于L波段和S波段的更高奈奎斯特頻段的直接采樣。此外，C波段采樣很快就會取得進展，并且隨后將進行X波段采樣。

直接轉換架構可最有效地利用數據轉換器帶寬。數據轉換器工作在第一個奈奎斯特，性能最佳，低通濾波更容易。 twodata轉換器一起對I / Q信號進行采樣，從而增加了用戶帶寬，而沒有交錯的挑戰。多年來一直困擾直接轉換架構的主要挑戰是保持I / Q平衡，以獲得可接受的鏡像抑制，LOleakage和DC偏移水平。近年來，直接轉換信號鏈的高級集成與數字校準相結合，克服了這些挑戰，直接轉換架構已成為許多系統中非常實用的方法。對于ADI公司而言，我們不斷推進所述信號鏈選項的技術發展。未來將帶來更高的帶寬和更低的功率，同時保持高水平的性能，并在片上系統（SoC）或系統封裝（SiP）解決方案中集成完整的信號鏈。

數據轉換器數字助理

數據轉換器模擬性能將繼續提高，模擬級別的這些改進將包括提高采樣率以獲得更寬的帶寬，增加通道數，并保持噪聲，密度和線性度的關鍵性能指標。這些優勢將推動所描述的所有RF信號鏈解決方案，有助于新的相控陣解決方案。

系統層面的重要性增加的領域是最近增加了許多數字功能（如圖4所示），用于卸載FPGA處理并幫助整個系統。最近發布的數據轉換器包括數字下變頻和濾波，這可能會降低FPGA的數據速率，從而降低系統功耗和FPGA處理要求。新興的ADI公司數據轉換器將繼續增加功能，例如數字波束成形處理前端的均衡和功能。

模擬波束成形

在高頻或低功率系統中，每個元件系統都受到尺寸和功率要求的挑戰。模擬波束形成的使用減少了數字化所需的波形發生器和接收器通道的數量。

相控陣天線的模擬波束形成是通過調整各個元件中信號的相位來控制輻射方向圖或波束的方向來實現的。 。圖5a顯示了通用的模擬波束示例。在發送/接收上提供移相器以進行波束控制，并且許多元件組合成單個輸出。圖5b示出了功能上等效的示例，其中相位衰減器和微波開關可以對發射器和接收器共用。后一種拓撲結構減少了所需的移相器和衰減器的數量，但可能需要對器件進行更頻繁的命令更新。

為了克服單個子陣列的約束，可以使用拓撲生成多個子陣列，如圖6所示。

在此拓撲中低噪聲放大器（LNA）輸出被分成許多模擬波束形成器，其中N個元件可以產生M個模擬子陣列波束。每個模擬波束形成器被編程用于不同的天線方向圖。通過在陣列上重復圖6的拓撲，可以在廣泛不同的角度創建數字波束形成的圖案。這種拓撲結構是一種混合架構，它可以提供每個元件數字系統的優勢，但具有減少的波形發生器和接收器數量。在這種情況下的權衡是模擬波束形成器的復雜性。

傳統的模擬波束形成器需要一個功能GaAs移相器和單功能GaAs衰減器用于每個天線元件。更先進的方法將移相器和衰減器集成到單個GaAs前端IC中，其中包括功率放大器（PA），LNA和開關。 ADI公司集成的模擬成像器芯片在SiGe BiCMOS技術中實現了顯著的集成，將四個通道集成到單個IC中，具有減小的占位面積和更低的功耗。

前端模塊

前端 - 終端模塊，有時稱為發送/接收（T / R）模塊，提供與天線元件的接口。前端模塊在發射功率和效率以及接收方面都非常重要。高功率放大器（HPA）設置輸出功率。 LNA確定系統噪聲性能。許多系統需要校準或附加濾波器，圖7中顯示了一個示例前端模塊框圖。