將毫米波波束賦形引入新應用
直到最近，國防和航天仍然是使用 30 至 300 GHz 射頻頻譜的主要市場，特別是毫米波 (mm-wave) 頻段。隨著 5G 的推出，主流通訊正在轉向毫米波。這種射頻擴展的主要原因是對更多數據頻寬的需求。
但隨著頻率的增加，射頻波的方向性越來越強。為了實現最高的數據速率，發射器和接收器需要對齊。視線直線是最佳選擇，但不是必要的。使用通道中硬表面反射的射頻能量可以實現高信噪比。這也會產生多路徑，因此將天線指向訊號最強的來源有助於實現持續高資料速率通訊所需的效能。
這通常不需要機械轉向。軍事應用使用相控陣天線來實現高效的雷達追蹤系統。發射波束掃過目標區域，同時接收天線嘗試拾取反射波。有源相控陣天線提供了一種有效的方式來引導和引導射頻能量。在通訊系統中使用相控陣可以達到所需的輻射功率和訊號雜訊比等級。
相控陣天線基礎知識
相控陣天線採用多個單獨的天線元件。這些天線元件可以以規則的圖案佈置在諸如印刷電路板或陶瓷模組的平坦表面上。透過改變發送到每個天線元件的射頻波形的相位，在發射器處引導波束。透過調整每個波形的相位，複合天線在所需方向上產生相長幹擾，並在大多數不必要的方向上產生相消幹擾。
在具有適合所用波長的適當元件間距的足夠元件的情況下，結果是在所需方向上聚焦的窄光束。來自其他方向的雜散光束的破壞性幹擾可最大限度地減少對接收器的干擾。
使用多輸入多輸出 (MIMO) 發射器和接收器是 5G 蜂窩通訊標準中毫米波段傳輸的基礎。 MIMO技術在較低工作頻率下也有效，例如用於主流5G和其他協定的1GHz至10GHz頻譜。
波束成形對於太空和高空通訊也很有幫助，特別是對於利用近地軌道的系統來說，當每顆衛星經過頭頂時，波束的角度將在幾分鐘內發生顯著變化。事實證明，衛星和高空通訊對於無法部署地面基礎設施的地區提供高頻寬覆蓋至關重要。
汽車行業正在使用毫米波頻譜進行物體追蹤和高速通信，以幫助支援自動駕駛。這些聯合雷達通信系統將是多功能的。車輛將與其他車輛通信，提供地圖數據以及道路問題警報。
相移的高速控制至關重要
有效的相控陣天線訊號處理有幾個關鍵要求。高速控制至關重要，因為需要根據目標位置的估計來連續評估相移。標準中的協定允許接收器發送有關訊號強度和品質的回饋，因此發射器可以調整相對相位以微調波束方向。類似地，在雷達系統中，對於主動追蹤的物體，接收器子系統將向發射器子系統提供方向資訊。
複雜的訊號處理演算法可優化天線的效能，例如自適應波束成形以減輕幹擾或追蹤移動目標。 Avnet 和 Otava 創建的Beamformer IC 評估套件 提供了此類控制的實際應用範例。
此套件包含 Avnet MicroZed 模組系統 (SoM)。 SoM 是基於 AMD Xilinx Zynq 7010 系統單晶片 (SoC)。此 SoC 將高速 Arm 處理器核心與大型可程式邏輯陣列結合，可組合起來建構複雜的波束成形控制演算法。這些演算法追蹤需要該效能等級的應用程式的快速移動目標。
自訂圖形使用者介面控制該板。這種高水準的抽象使工程師能夠專注於操縱射頻訊號以獲得最佳性能。命令和結果透過 USB 連接埠或乙太網路介面共用。
控制性能只是等式的一部分。射頻路徑中的設計選擇會影響相控陣的效能。一個重要的選擇是工作頻寬。高頻寬提高了射頻子系統的靈活性。
Otava 套件波束形成器頻寬為 24 GHz 至 40 GHz。它涵蓋四個5G FR2頻段（n257、n258、n260、n261），適用於Ka頻段衛星通訊和國防應用。
頻寬權衡
增加工作頻寬的負面後果是相鄰頻段高功率發射機受到干擾的風險更高。在接收器中，較高的輸入射頻能量會降低有效靈敏度。透過在射頻訊號路徑中新增濾波器，重新配置頻寬可減少選定通帶上的輻射和乾擾影響。
相控陣收發器的開發人員現在可以採用寬頻可調諧濾波器來控制通過陣列硬體的射頻訊號。 Otava OTFLx01 濾波器具有高線性度、功率處理能力和調諧範圍，可更輕鬆地建構高度靈活的波束形成子系統。
例如，Otava 的 OTFL101 可調諧至 2.5 至 7.5 GHz 範圍內的頻率，瞬時頻寬高達 1.5 GHz。 OTFL201 和 OTFL301 將可調諧通帶的功能擴展到毫米波域：分別為 14 至 24 GHz 和 24 至 40 GHz。
由於採用絕緣體上矽 (SOI) 技術的功能，毫米波系統中的可調諧濾波器現在已成為可能。 SOI 在射頻應用方面比體矽具有固有的優勢，使其成為許多高速電路以及毫米波和微波應用的首選技術。 SOI 使用的埋氧化層有助於將主動元件與基板隔離，從而減少寄生電容。
高電阻率基板也支援高性能被動元件，與體矽上實現的被動元件相比，其插入損耗更低。由於補償損耗所需的增益較少，因此功耗較低。
高度整合的 IC 減少了材料成本和尺寸
相控陣子系統內的另一個權衡涉及主機處理器或客製化邏輯如何即時控制各個元件。每個元件接收相移指令。可調諧濾波器採用適當的通頻帶進行編程。理想情況下，相移元件將安裝在靠近天線元件的位置，這可能會限制可用於命令訊號的 PCB 佈線區域。
相移元件通常安裝在天線的背面，以提供非常短的訊號路徑。 Otava 的波束形成器積體電路 (IC) 提供 8 個發射通道和 8 個接收通道，每個通道都有獨立的相位和 20dB 的範圍增益控制。透過高速串行週邊介面 (SPI) 連接埠提供即時控制，可透過低壓差分訊號 (LVDS) 或單端通訊進行操作。還整合了溫度感測器和 RMS 功率檢測。
對於 Otava 的濾波器 IC，使用三線串行介面進行編程，減少了需要路由的訊號數量。濾波器設計中的每個諧振器都可以使用五位係數進行調諧。通帶的完全重新配置僅需 1μs。濾波器提供的大量自由度使得創新的調諧優化方法成為可能。
為了幫助系統架構師探索這些功能，Otava 提供了一個配套的行為模型，能夠準確預測濾波器通帶和邊帶裙邊，以支援模擬。 MathWorks Simulink 環境的更廣泛模型可實現位元到天線系統級仿真，以協助推動射頻訊號鏈最佳化和演算法開發。
事實證明，此類技術對於對訊號編碼高度敏感的聯合雷達通訊演算法至關重要。然後，借助 Avnet 和 Otava 設計的完整相控陣評估套件以及單一波束形成器和濾波器 IC 的評估板，可以在實驗室或現場輕鬆測試這些概念。
波束成形技術變得越來越容易使用
由於 SOI 和其他矽基技術在整合和訊號處理方面的進步，毫米波頻段的波束成形變得越來越實用且經濟實惠。這導致應用範圍擴大，可以利用毫米波頻譜提供的更高頻寬和更低擁塞。
憑藉其用於構建相控陣天線子系統的設備選擇，Otava 目前處於市場領先地位，該公司與安富利的合作使該技術更容易透過評估套件及其軟體獲得。