黨艷杰，梁煜，張為

（天津大學(xué) 微電子學(xué)院，天津300072）

多波束合成天線陣列已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、射電天文和衛(wèi)星通信等寬帶無(wú)線通信中[1]。在接收信號(hào)時(shí)，有用信號(hào)方向相長(zhǎng)干涉，而在其他角度信號(hào)相消干涉，接收機(jī)的靈敏度被明顯提高。多波束合成技術(shù)可以產(chǎn)生多個(gè)同時(shí)存在，方向各自獨(dú)立的高增益波束，通過(guò)多個(gè)波束共同作用實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域范圍的覆蓋，提高靈活性[2-3]。在無(wú)線通信中，多路信號(hào)干擾是不可避免的，并且限制了通信的質(zhì)量，因此平穩(wěn)、精確的群延時(shí)對(duì)相控陣來(lái)說(shuō)極其重要。

窄帶相控陣中，不同方向的入射波到達(dá)每個(gè)天線的相位差較小，采用移相器調(diào)整固定的相位就能使得接收端信號(hào)同相加強(qiáng)[4-5]。但是，超寬帶通信系統(tǒng)采用短時(shí)脈沖進(jìn)行信號(hào)傳輸，產(chǎn)生了寬帶頻率響應(yīng)[2，6-7]，使用移相器則會(huì)導(dǎo)致形成的波束產(chǎn)生偏移，影響系統(tǒng)的性能。因此，需采用真時(shí)延單元取代移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)的建設(shè)性疊加[6-9]。基于真時(shí)延單元的傳統(tǒng)波束合成架構(gòu)有許多，比如，Brute-force架構(gòu)和 Blass架構(gòu)[6，10-11]，在四入四出時(shí)，總延時(shí)數(shù)均為 48τ。Chu和 Hashemi[12]提出的路徑共享真時(shí)延結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)延時(shí)單元的復(fù)用，總延時(shí)數(shù)為24τ。雖然均適用于超寬帶通信系統(tǒng)，但是由于大的延時(shí)時(shí)間會(huì)占用大量芯片面積。

本文提出一種新型路徑共享真時(shí)延波束合成架構(gòu)，總延時(shí)數(shù)僅為20τ，較現(xiàn)有波束合成架構(gòu)有很大提升，進(jìn)一步提高了延時(shí)復(fù)用程度，降低了芯片面積。同時(shí)，該架構(gòu)具有良好的中心對(duì)稱性和可擴(kuò)展性?；谛滦筒ㄊ铣杉軜?gòu)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)四入四出波束合成器，在0.5～1.5 GHz頻帶內(nèi)，能夠?qū)Τ瑤捫盘?hào)合成疊加，具有面積小、集成度高、方向性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1所示為本文提出的新型波束合成架構(gòu)。低噪聲放大器放置在多波束矩陣的前端，對(duì)來(lái)自空間的信號(hào)進(jìn)行放大并降低噪聲，緩沖放大器補(bǔ)償插入損耗并起到隔離作用，通過(guò)控制延時(shí)路徑長(zhǎng)短產(chǎn)生精確延時(shí)，對(duì)每個(gè)天線的RF信號(hào)進(jìn)行一定延時(shí)，彌補(bǔ)信號(hào)到達(dá)天線的延時(shí)差，在輸出端口合成并增強(qiáng)RF信號(hào)。圖2（a）、圖2（b）展示了來(lái)自空間中的RF信號(hào)入射到天線陣列后的流動(dòng)情況。信號(hào)從天線1、2、3、4到輸出端口1的延時(shí)分別為 2τ、3τ、4τ、5τ，相鄰天線間的延時(shí)差是 τ；信號(hào)從天線1、2、3、4到輸出端口2的延時(shí)分別為0τ、3τ、6τ、9τ，相鄰天線間的延時(shí)差是 3τ。因此，來(lái)自某一固定方向的RF信號(hào)可以通過(guò)線性天線陣列在輸出端口進(jìn)行同相相干疊加，來(lái)自其他方向的RF信號(hào)被破壞性疊加。相鄰天線間的延時(shí)差τ：τ=（d sinθ）／c （1）式中：θ為入射角度；d為天線間距；c為光速。本文考慮系統(tǒng)尺寸和工作頻率，選擇10.5 cm的天線間距。因此，本文提出的具有80 ps和240 ps延時(shí)的波束合成器能夠提供±43°和±13°四個(gè)方向的掃描角度。

圖1 新型波束合成架構(gòu)Fig.1 New beamformer architecture

該新型多波束架構(gòu)具有可擴(kuò)展性，如圖3所示，支持2M個(gè)天線輸入和2K個(gè)波束輸出，每條橫向延時(shí)線由2K-1個(gè)Mτ組成，縱向延時(shí)線由（2K-1）τ組成，通過(guò)橫向和縱向延時(shí)線產(chǎn)生精確時(shí)延進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相鄰天線到輸出端口的恒定延時(shí)差，從而對(duì)相干信號(hào)進(jìn)行同相疊加。具有中心對(duì)稱性，在多輸入多輸出時(shí)，利于版圖合理布局，減小面積消耗。

圖2 新型波束合成架構(gòu)信號(hào)流向圖Fig.2 Signal flow diagram of new beamformer architecture

圖3 新型波束合成架構(gòu)的可拓展性Fig.3 Extensibility of new beamformer architecture

2 電路結(jié)構(gòu)

2.1 低噪聲放大器

采用噪聲抵消技術(shù)的寬帶低噪聲放大器降低噪聲，提高增益以及減弱后級(jí)模塊噪聲的影響。低噪聲放大器左右對(duì)稱，半電路等效電路圖如圖4所示，在半電路等效電路中，噪聲抵消原理[13-15]是利用共源并聯(lián)反饋，晶體管 M1的熱噪聲在電阻R1和Rs間分壓，使得節(jié)點(diǎn) Y和節(jié)點(diǎn)X的噪聲電壓比為

式中：Vx，noi與 Vy，noi是同相的。然 而，只要滿足gm1R1＞1，有用信號(hào)在節(jié)點(diǎn)X和節(jié)點(diǎn)Y的電壓是反相的。Vx分別經(jīng)過(guò)M4與M7共源反相放大輸出，Vy經(jīng)過(guò)M6共漏同相變換輸出，輸出端的有用信號(hào)為

式中：Vx，sig和 Vy，sig分別為圖 4中節(jié)點(diǎn) X和節(jié)點(diǎn) Y的信號(hào)電壓值。

M1的熱噪聲電壓在輸出端為

式中：gm4與gm7分別為晶體管M4與晶體管M7的跨導(dǎo)。只要R1、gm4與gm7的值調(diào)整的合適，M1的熱噪聲電壓會(huì)在輸出端被成功抵消。此外，晶體管M1和M2采用了電流復(fù)用技術(shù)，能夠降低功耗。

低噪聲放大器的S參數(shù)如圖5所示，可以很明顯看出，在頻帶0.5～1.5 GHz范圍內(nèi)，噪聲性能較好，噪聲系數(shù)NF≤3.8 dB。輸入端口的反射系數(shù)≤-12 d B，可實(shí)現(xiàn)與源阻抗的良好匹配，功率增益穩(wěn)定，為8.5 dB±0.5 dB。

圖4 低噪聲放大器半電路等效電路圖Fig.4 Equivalent half circuit diagram of low noise amplifier

2.2 真時(shí)延架構(gòu)

圖5 低噪聲放大器的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of low noise amplifier

真時(shí)延技術(shù)包括有源方式 Gm-RC、Gm-C全通濾波器[16-17]與無(wú)源方式傳輸線、LC網(wǎng)絡(luò)等。本文提出的路徑共享波束合成架構(gòu)是對(duì)稱的，信號(hào)能雙向流動(dòng)。延時(shí)單元也應(yīng)滿足對(duì)稱性與雙向性，所以本次設(shè)計(jì)采用無(wú)源LC延時(shí)。由于無(wú)源LC真時(shí)延單元的頻率特性，阻抗的變化會(huì)引起延遲響應(yīng)的波動(dòng)。因此，輸入和輸出阻抗應(yīng)該匹配到50Ω，以保證在0.5～1.5 GHz實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的群延時(shí)。本文采用的真時(shí)延架構(gòu)[6]如圖 6（a）和圖6（b）所示。與傳統(tǒng)的 LC梯形傳輸線相比，在滿足相似的群延時(shí)基礎(chǔ)上，該LC真時(shí)延單元所用電容數(shù)目明顯降低，有效地降低面積[6]。插入損耗是不可避免的，可以采用高Q電感盡可能減小插入損耗。

基本延時(shí)單元等效電路圖如圖6（c）所示，等效成并聯(lián)的2個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)納矩陣分別表示為Y1和Y2，則基本延時(shí)單元的導(dǎo)納矩陣為Y=Y1＋Y2。

圖6 真時(shí)延架構(gòu)和等效網(wǎng)絡(luò)Fig.6 True-time-delay architecture and equivalent network

式中：ω為角頻率；C1、C2和L1、L2為電容和電感值。

S21參數(shù)可表示為

式中：Z0為特性阻抗，群延時(shí)GD為

綜合考慮級(jí)間匹配等多種因素，優(yōu)化參數(shù)C1、C2、L1和 L2，能得到所需的群延時(shí)。

2.3 緩沖放大器

真時(shí)延單元的插入損耗會(huì)降低電壓增益，因此為了獲得較大且平坦度高的增益，需要進(jìn)行增益補(bǔ)償。本文采用的緩沖放大器如圖7所示，晶體管M1、電阻R1和電感L組成共源結(jié)構(gòu)以補(bǔ)償在高頻時(shí)的增益下降，共漏結(jié)構(gòu)起到阻抗變換的作用。圖8是緩沖放大器增益與輸出端口反射系數(shù)的仿真結(jié)果，可以看出在0.5～1.5 GHz范圍內(nèi)，增益隨頻率的增加而增大，有效補(bǔ)償了插入損耗帶來(lái)的增益衰減。輸出端口反射系數(shù)＜-35 dB，可以很好地實(shí)現(xiàn)與真時(shí)延單元的匹配。同時(shí)，緩沖放大器有很好的隔離作用，使各個(gè)端口之間不會(huì)相互影響。

圖8 緩沖放大器的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of buffer amplifier

3 版圖設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

本文提出的波束合成器版圖如圖9所示，在所有端口添加了靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）保護(hù)電路，包含 I／O焊盤與 ESD的版圖尺寸為3.69 mm×3.62 mm。采用 HHNEC 0.18μm CMOS工藝。使用 Cadence Spectre RF仿真器進(jìn)行后仿真。在供電電壓為1.8 V時(shí)，功耗為544 mW。工作頻率為0.5～1.5 GHz，圖10表明輸入端口的反射系數(shù)S11和輸出端口反射系數(shù)S22，反射系數(shù)均低于 -11 d B。對(duì)于同一端口輸出，不同路增益隨著延時(shí)路徑延長(zhǎng)而逐漸減小，因?yàn)檩^大的延時(shí)導(dǎo)致較大的插入損耗，但圖11表明四輸入到輸出1和2的總增益，在整個(gè)帶寬中幾乎是恒定的。整體增益約為26 dB，增益起伏不超過(guò)3 dB。在輸出1和2上，每個(gè)波束的群延時(shí)仿真如圖12所示，相鄰波束的時(shí)延差分別為80 ps和240 ps。由于結(jié)構(gòu)的中心對(duì)稱性，到輸出3的群延時(shí)與到輸出1的群延關(guān)系為：IO11=IO43、IO21=IO33、IO31=IO23、IO41=IO13。到輸出4的群延時(shí)與到輸出2的群延時(shí)關(guān)系同理。圖13是用仿真數(shù)據(jù)在MATLAB中生成的波束合成器的輻射圖。其中，同心圓數(shù)值表示輸出信號(hào)的幅度值，單位是V。從圖中明顯看出，隨著工作頻率的增加，天線陣的方向性更好。實(shí)現(xiàn)了空間信號(hào)的同相疊加增強(qiáng)。

圖9 波束合成器版圖Fig.9 Layout of beamformer

圖10 波束合成器S11與S22仿真結(jié)果Fig.10 Simulated S11 and S22 of beamformer

圖11 波束合成器總增益仿真結(jié)果Fig.11 Simulated total gain of beamformer

圖12 波束合成器群延時(shí)仿真結(jié)果Fig.12 Simulated group delay of beamformer

圖13 波束合成器方向性仿真結(jié)果Fig.13 Simulated direction of beamformer

表1為本文提出的波束合成器與近幾年來(lái)報(bào)道的幾種性能優(yōu)良的波束合成器的主要性能對(duì)比，本文采用無(wú)源LC實(shí)現(xiàn)延時(shí)，由于提出的波束合成架構(gòu)路徑高度共享，中心對(duì)稱性強(qiáng)，所以與同種延時(shí)方式相比面積優(yōu)勢(shì)明顯。采用有源Gm-C全通濾波器實(shí)現(xiàn)延時(shí)，能夠具有很好的面積優(yōu)勢(shì)，但是存在功耗大的問(wèn)題。綜上所述，本文提出的波束合成器克服了功耗大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了小面積，達(dá)到了良好的綜合性能。

表1 本文與其他文獻(xiàn)的波束合成器性能對(duì)比Table 1 Performance comparison with other references of beamformer

4 結(jié) 論

1）本文提出了一種新型路徑共享真時(shí)延波束合成架構(gòu)，通過(guò)對(duì)真時(shí)延單元共享節(jié)省了芯片面積。此外，該架構(gòu)結(jié)構(gòu)具有中心對(duì)稱性，可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。

2）在此基礎(chǔ)上，基于HHNEC 0.18μm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種全集成四入四出波束合成器，工作頻段為0.5～1.5 GHz。延時(shí)分辨率為80 ps、最大延時(shí)為720 ps。

3）在天線間距為10.5 cm的情況下，波束合成器能夠提供±43°和±13°四個(gè)掃描角度。方向性好，能夠很好地對(duì)空間信號(hào)疊加合成。

4）具有低成本、高集成和小面積等特點(diǎn)，綜合性能良好，適用于雷達(dá)、射電天文和衛(wèi)星通信等多輸入輸出寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)。