【導讀】引yin導dao射she頻pin能neng量liang越yue來lai越yue成cheng為wei一yi項xiang關guan鍵jian的de無wu線xian電dian技ji術shu。其qi原yuan因yin是shi在zai較jiao高gao的de毫hao米mi波bo頻pin率lv下xia
，自zi由you空kong間jian射she頻pin衰shuai減jian增zeng加jia。如ru果guo將jiang這zhe些xie頻pin率lv用yong於yu增zeng加jia係xi統tong帶dai寬kuan和he數shu據ju吞tun吐tu量liang
，在zai沒mei有you主zhu動dong轉zhuan向xiang方fang法fa的de情qing況kuang下xia，跨kua信xin道dao幹gan擾rao和he丟diu失shi鏈lian路lu的de可ke能neng性xing會hui增zeng加jia。

01 執行摘要

引yin導dao射she頻pin能neng量liang越yue來lai越yue成cheng為wei一yi項xiang關guan鍵jian的de無wu線xian電dian技ji術shu。其qi原yuan因yin是shi在zai較jiao高gao的de毫hao米mi波bo頻pin率lv下xia，自zi由you空kong間jian射she頻pin衰shuai減jian增zeng加jia。如ru果guo將jiang這zhe些xie頻pin率lv用yong於yu增zeng加jia係xi統tong帶dai寬kuan和he數shu據ju吞tun吐tu量liang，在zai沒mei有you主zhu動dong轉zhuan向xiang方fang法fa的de情qing況kuang下xia，跨kua信xin道dao幹gan擾rao和he丟diu失shi鏈lian路lu的de可ke能neng性xing會hui增zeng加jia。

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 平麵天線係統的性能。其中

，一對最先進的、支持 GHz 的數模轉換器(EV12DD700)具有一係列新穎的片上數字波束形成控製功能，提供了數字波束轉向控製。這項評估的目的是進一步驗證 Teledyne e2v 在微波射頻軟件化方麵的進展。

實驗結果與最初的設計假設相吻合。此外

，對於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bu斷duan增zeng長chang的de對dui無wu線xian電dian帶dai寬kuan的de市shi場chang需xu求qiu需xu要yao新xin的de無wu線xian電dian方fang法fa和he技ji術shu。使shi用yong波bo長chang在zai毫hao米mi範fan圍wei內nei的de更geng高gao頻pin率lv
，著zhe重zhong於yu減jian少shao幹gan擾rao
，並bing有you效xiao利li用yong輻fu射she功gong率lv和he頻pin譜pu
，是shi改gai進jin當dang代dai無wu線xian電dian係xi統tong的de關guan鍵jian的de技ji術shu考kao慮lv因yin素su。

因此
，在大多數關於大規模 MIMO
、5G 和he衛wei星xing通tong信xin應ying用yong的de討tao論lun中zhong出chu現xian數shu字zi波bo束shu形xing成cheng也ye就jiu不bu足zu為wei奇qi了le。波bo束shu形xing成cheng描miao述shu了le從cong固gu定ding天tian線xian陣zhen列lie進jin行xing電dian子zi射she頻pin轉zhuan向xiang，從cong而er減jian少shao跨kua信xin道dao幹gan擾rao，同tong時shi提ti高gao整zheng體ti傳chuan輸shu質zhi量liang
、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製的需求
，本文提出了一種基於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製係統的設計上。

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於簡化天線設計計算，並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並不存在，但這一概念有助於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(ge)向(xiang)同(tong)性(xing)輻(fu)射(she)體(ti)是(shi)一(yi)種(zhong)在(zai)三(san)維(wei)空(kong)間(jian)內(nei)均(jun)勻(yun)輻(fu)射(she)電(dian)磁(ci)能(neng)量(liang)的(de)理(li)想(xiang)射(she)頻(pin)點(dian)源(yuan)。與(yu)在(zai)特(te)定(ding)方(fang)向(xiang)上(shang)具(ju)有(you)峰(feng)值(zhi)和(he)零(ling)值(zhi)的(de)特(te)定(ding)輻(fu)射(she)模(mo)式(shi)的(de)實(shi)際(ji)天(tian)線(xian)不(bu)同(tong)

，各(ge)向(xiang)同(tong)性(xing)輻(fu)射(she)體(ti)沒(mei)有(you)方(fang)向(xiang)偏(pian)差(cha)。

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(dian)磁(ci)波(bo)束(shu)形(xing)成(cheng)和(he)轉(zhuan)向(xiang)利(li)用(yong)了(le)幹(gan)涉(she)理(li)論(lun)物(wu)理(li)學(xue)的(de)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)結(jie)論(lun)。當(dang)兩(liang)個(ge)或(huo)兩(liang)個(ge)以(yi)上(shang)的(de)能(neng)量(liang)源(yuan)產(chan)生(sheng)一(yi)係(xi)列(lie)波(bo)陣(zhen)麵(mian)時(shi)，就(jiu)會(hui)出(chu)現(xian)相(xiang)長(chang)幹(gan)涉(she)或(huo)相(xiang)消(xiao)幹(gan)涉(she)的(de)波(bo)形(xing)。這(zhe)種(zhong)波(bo)形(xing)在(zai)振(zhen)幅(fu)和(he)相(xiang)位(wei)上(shang)變(bian)化(hua)。對(dui)這(zhe)種(zhong)“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幹性)

，波陣麵得到最大的加強。您可以直觀地看出，波陣麵幹擾提供了一種引導和轉向射頻功率的方法，可用於波束形成係統。

然ran而er，疊die加jia原yuan理li忽hu略lve了le輻fu射she元yuan件jian之zhi間jian的de電dian磁ci耦ou合he，它ta隻zhi是shi一yi個ge近jin似si的de原yuan理li。天tian線xian輻fu射she的de更geng精jing確que的de表biao示shi方fang法fa可ke以yi用yong數shu值zhi方fang法fa確que定ding。單dan個ge陣zhen列lie元yuan素su有you許xu多duo可ke能neng的de排pai列lie方fang式shi
，這zhe些xie排pai列lie方fang式shi會hui影ying響xiang輻fu射she行xing為wei。幾ji何he分fen布bu，元yuan素su的de數shu量liang，以yi及ji它ta們men之zhi間jian的de距ju離li都dou是shi關guan鍵jian的de設she計ji因yin素su。此ci外wai，激ji勵li信xin號hao的de幅fu值zhi和he相xiang位wei也ye起qi作zuo用yong。

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範圍會增加。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麵積的增加。

圖 2 點 P的球坐標係(LHS)及點 P的遠場波陣麵(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麵陣列，其中 P 位於遠場。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製天線激 勵信號的電氣特性(相位及其幅度)來實現。 

由於這項工作主要評估了在數字係統(使用先進的寬帶 DAC)中控製波束形成的能力，因此我們采用了一種等間距元素的簡 單平麵輻射體布局。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麵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。主瓣功率明顯高於所示的三個側瓣。

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幹擾的可能性。抑製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 係統級考慮

傳統的波束形成方法往往由模擬信號控製。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，以創建一係列可選擇的波束。

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
，並由 係統計算確定。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
，並根據動態和 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，隻需要修改數字處理
，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

當工作在超高時鍾頻率(即 GHz)時，係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，可以輕鬆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tong步bu信xin號hao是shi一yi次ci脈mai衝chong，而er不bu是shi精jing確que時shi鍾zhong
，因yin此ci在zai印yin刷shua電dian路lu中zhong配pei置zhi它ta是shi一yi件jian輕qing而er易yi舉ju的de事shi情qing。每mei個ge來lai自zi設she備bei的de同tong步bu信xin號hao都dou基ji於yu單dan個ge設she備bei的de延yan遲chi重zhong新xin同tong步bu。該gai方fang法fa需xu要yao初chu始shi設she置zhi校xiao準zhun，但dan一yi旦dan執zhi行xing
，無wu論lun鏈lian中zhong的de設she備bei數shu量liang如ru何he

，所suo有you設she備bei都dou將jiang具ju有you確que定ding的de相xiang位wei對dui齊qi特te性xing。

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)源於歐洲 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 的範圍 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)
，用於用戶數據傳輸。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 對於波束形成非常有用，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”讚助計劃的一部分，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。另一個關鍵的係統級特性是同步(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係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，因而這對於波束轉 向應用非常有用。

圖 7數字波束形成器的評估係統和框圖

08 實驗波束形成係統——通信和接口

Andromeda 片上係統(SoC)軟件通過串行外設接口(SPI)與一對寬帶 DAC 通信。後端軟件也可以通過 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。主時鍾提供 DAC 的采樣時鍾和 DSP 時鍾。SoC 提供所有 重要的同步信號。與電路板的通信是通過後端軟件進行的
，後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 包含複雜的數字上變頻器(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 控製的。

複雜數值振蕩器(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。波束形成控製包括-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%範圍的可編程增益 級，10 位分辨率。為了補償產生的輸出脈衝形狀，反 SINC 濾波器提供了兩個可編程係數。

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係數相匹配。插值器的 複合傳遞函數如圖 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。由於兩個通道的波形模式是相同的
，數據 隻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

在係統啟動和同步後，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 了係統的能量消耗。

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。對於每個時鍾信號，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 源於 CORDIC。這樣
，DAC 提供了核心數字功能來控製射頻域的波束轉向。

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 旁瓣抑製

12 結論

該項目表明
，EV12DD700 提ti供gong了le用yong於yu實shi現xian一yi個ge簡jian單dan的de平ping麵mian微wei帶dai天tian線xian的de射she頻pin波bo束shu轉zhuan向xiang的de所suo有you必bi要yao的de控kong製zhi功gong能neng。該gai項xiang目mu集ji中zhong於yu模mo擬ni一yi個ge簡jian單dan的de四si元yuan微wei帶dai陣zhen列lie的de預yu期qi性xing能neng並bing建jian立li一yi個ge數shu字zi控kong製zhi係xi統tong。該gai項xiang目mu的de實shi際ji實shi現xian利li用yong了le 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she頻pin測ce量liang有you助zhu於yu確que定ding模mo型xing性xing能neng和he測ce量liang性xing能neng之zhi間jian的de差cha異yi。實shi驗yan出chu現xian了le幾ji個ge改gai進jin的de方fang麵mian。總zong體ti而er言yan
，理li論lun和he實shi踐jian結jie果guo吻wen合he良liang好hao。逐zhu漸jian衰shuai減jian的de旁pang瓣ban效xiao果guo很hen好hao。此ci外wai

，DAC 的相位和信號幅度控製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 的嵌入式相位控製在這裏也有幫助。

一個值得注意的係統優勢來自 DAC detongbulian。zhegeshiyansuiranzhiyoulianggeqijiantongbu，danjuhualiandeyoushidedaolechongfendetixian。haowuyiwen，zhejiangzaiweilaidedaxingzhenliebushuzhonggengjiayinrenzhumu。

最後值得強調的是，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。這些功能標誌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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