基于高度复用真延时单元的波束合成架构的制作方法

本发明适用于雷达、卫星通信、军事等多领域的超宽带无线通信系统和mimo系统，特别是宽带多波束形成领域，也对5g技术提供了一种新的实现思路。

背景技术：

波束合成的原理是：在接收信号时有用信号方向形成相长干涉，增强期望信号，而在其他角度形成相消干涉，抑制干扰信号，接收机的灵敏度能被明显地提高。多波束合成技术可以产生多个同时存在，方向各自独立的高增益波束，通过多个波束共同作用实现一定角度范围的覆盖。在无线通信中，多路信号干扰是不可避免的，并且限制了通信的质量，因此平稳、精确、宽带的群延时对相控阵来说极其重要。

窄带相控阵中，不同方向的入射波到达每个天线的相位差较小，采用移相器调整固定的相位就能使得接收端信号同相加强。但是，超宽带通信系统采用短时脉冲进行信号传输，产生了宽带频率响应^[1-3]，使用移相器则会导致形成的波束产生偏移，影响系统的性能。因此，需采用真时延单元取代移相器来实现超宽带信号的建设性叠加^[2-4]。基于真时延单元的传统波束合成架构有许多，比如，brute-force架构和blass架构^[2,5-6]，在四入四出时，总延时单元数均为48τ，chuts和hashemih提出的路径共享真时延结构^[7]，通过对延时单元的复用，总延时单元数为24τ。虽然均适用于超宽带通信系统，但是由于大的延时时间会占用大量芯片面积。

相关文献：

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技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种波束合成架构，通过路径共享与真时延单元的高度复用，降低电路的复杂程度，在宽带内实现延时的稳定性，与波束合成的多方向性。且该发明架构满足中心对称心与可拓展性。本发明的技术方案如下：

一种基于高度复用真延时单元的波束合成架构，包括多个低噪声放大器模块，多个缓冲器和多个真时延单元，低噪声放大器模块位于多波束矩阵的前端，用以对来自空间的信号进行放大并降低噪声，缓冲器模块补偿插入损耗并起到隔离作用，其特征在于，利用复用的真时延单元，通过横向和纵向延时线产生精确时延进而实现相邻天线到输出端口的恒定延时差，从而弥补接收信号的时间差，对相干信号进行同相叠加。设采用2m个天线输入和2m个输出，各个天线位于横向传输线上，输出端口位于纵向传输线上，横向传输线的延时时间为mτ，纵向传输线的延时时间为(2k-1)τ，k＝1,2,……,m，各个真时延单元满足对称性与信号流动的双向性，以保证实现延时单元复用与延时的一致性。

可以采用四天线，第一天线接收的空间信号依次经过第一低噪声放大器模块、第一缓冲器和第二缓冲器到第一输出端口，第二天线接收的空间信号依次经过第二低噪声放大器模块、第三缓冲器、第一3τ真时延单元和第二缓冲器到第一输出端口，第三天线接收的空间信号依次经过第三低噪声放大器模块、第一2τ真时延单元、第二2τ真时延单元、第三2τ真时延单元、第一缓冲器和第二缓冲器到第一输出端口；第四天线接收的空间信号依次经过第四低噪声放大器模块、第四2τ真时延单元、第五2τ真时延单元、第六2τ真时延单元、第三缓冲器、第一3τ真时延单元和第二缓冲器到第一输出端口；

第一天线接收的空间信号依次经过第一低噪声放大器模块、第三2τ真时延单元、第四缓冲器和第五缓冲器到第二输出端口，第二天线接收的空间信号依次经过第二低噪声放大器模块、第六2τ真时延单元、第六缓冲器、第一τ真时延单元和第五缓冲器到第二输出端口，第三天线接收的空间信号依次经过第三低噪声放大器模块、第一2τ真时延单元、第二2τ真时延单元、第四缓冲器和第五缓冲器到第二输出端口，第四天线接收的空间信号依次经过第四低噪声放大器模块、第四2τ真时延单元、第五2τ真时延单元、第六缓冲器、第一τ真时延单元和第五缓冲器到第二输出端口；

第一天线接收的空间信号依次经过第一低噪声放大器模块、第三2τ真时延单元、第二2τ真时延单元、第七缓冲器、第二τ真时延单元和第八缓冲器到第三输出端口，第二天线接收的空间信号依次经过第二低噪声放大器模块、第六2τ真时延单元、第五2τ真时延单元、第九缓冲器和第八缓冲器到第三输出端口，第三天线接收的空间信号依次经过第三低噪声放大器模块、第一2τ真时延单元、第七缓冲器、第二τ真时延单元和第八缓冲器到第三输出端口，第四天线接收的空间信号依次经过第四低噪声放大器模块、第四2τ真时延单元。第九缓冲器和第八缓冲器到第三输出端口；

第一天线接收的空间信号依次经过第一低噪声放大器模块、第三2τ真时延单元、第二2τ真时延单元、第一2τ真时延单元、第十缓冲器、第二3τ真时延单元和第十一缓冲器到第四输出端口，第二天线接收的空间信号依次经过第二低噪声放大器模块、第六2τ真时延单元、第五2τ真时延单元、第四2τ真时延单元、第十二缓冲器和第十一缓冲器到第四输出端口，第三天线接收的空间信号依次经过第三低噪声放大器模块、第十缓冲器、第二3τ真时延单元和第十一缓冲器到第四输出端口，第四天线接收的空间信号依次经过第四低噪声放大器模块、第十二缓冲器和第十一缓冲器到第四输出端口。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明电路模块的高度复用，四输入四输出时总延时单元数仅为20τ，总延时数少，芯片面积低，功耗低。

(2)本发明具有可拓展性，可同时形成偶数个端口的多波束输入输出。

(3)本发明高度集成，融合低噪声放大器，缓冲器，0τ、2τ、3τ真时延单元多个模块。

(4)本发明回波损耗小，增益大，宽带宽，延时起伏小、方向性好，接收信号覆盖范围广。

(5)本发明电路结构简单，复杂程度低，整体成本低廉。

附图说明

图1是本发明基于高度复用真时延单元的新型波束合成架构。

图2是本发明的扩展架构。

图3是本发明所用的低噪声放大器。

图4是本发明所用的缓冲器。

图5是本发明所用的τ、2τ与3τ真时延单元。

图6是本发明输入反射系数s11与输出反射系数s22仿真结果。

图7是本发明总增益仿真结果。

图8是本发明各通道延时仿真结果。

图9是本发明方向图仿真结果。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

图1为本发明所述基于高度复用真时延单元的新型波束合成架构图，包括低噪声放大器模块，缓冲器模块和真时延模块。低噪声放大器位于多波束矩阵的前端，对来自空间的信号进行放大并降低噪声。缓冲器补偿插入损耗并起到隔离作用。通过横向和纵向延时线产生精确时延进而实现相邻天线到输出端口的恒定延时差，从而弥补接收信号的时间差，对相干信号进行同相叠加

图2为本发明所述基于高度复用真时延单元的新型波束合成架构的扩展图，可扩展2m个天线输入和2m个输出，如图2所示，天线位于横向传输线上，输出端口位于纵向传输线上。横向传输线的延时时间为mτ，纵向传输线的延时时间为(2k-1)τ(k＝1，2，......，m)。

图3本发明所述基于高度复用真时延单元的新型波束合成架构所采用的超宽带低噪声放大器，利用噪声抵消技术降低噪声，提高增益以及减弱后级模块噪声的影响。采用的低噪声放大器左右对称，采用了共源并联反馈进行噪声抵消，gm4与gm7分别是晶体管m4与晶体管m7的跨导。只要r1、gm4与gm7的值调整的合适，m1的热噪声电压会在输出端成功抵消。此外，晶体管m1和m2采用了电流复用技术，能够降低功耗。

图4本发明所述基于高度复用真时延单元的新型波束合成架构所采用的缓冲器，该缓冲器的增益随频率的增加而增大，有效补偿了真时延单元引入的插入损耗，因此获得较大且平坦度高的增益。同时，缓冲放大器有很好的隔离作用，使各个端口之间不会相互影响。

图5本发明所述基于高度复用真时延单元的新型波束合成架构所采用的τ、2τ和3τ真时延单元，采用无源lc滤波器作为真时延单元，真时延单元满足对称性与双向性，以保证实现延时单元复用与延时的一致性。而且有源延时单元相比，不会引入额外的噪声和功耗。调节真时延单元使其满足τ、2τ、3τ的延时要求。延时单元包含2个τ模块，2个3τ模块，6个2τ模块，总延时数为20τ。本发明所用的源lc滤波器真时延单元，与传统的lc梯形传输线相比，在满足相似的群延时基础上，该lc真时延单元所用电容数目明显降低，有效地降低面积。

为了得到平稳的群延时，各个模块之间应该阻抗匹配，匹配到50欧姆。输入输出端口满足匹配，输入输出信号是差分信号，匹配到100欧姆。

本发明采用hhneccmos0.18um工艺，利用cadencerfspectre对电路进行仿真验证。

图6本发明所述基于高度复用真时延单元的新型波束合成架构的输入输出反射系数的仿真结果。由此可以看出，在0.5～1.5ghz频带范围内，s11<-11，s22<-15，表明本发明的基于高度复用真时延单元的新型波束合成架构在整个频带内实现了良好的输入输出匹配。

图7本发明所述基于高度复用真时延单元的新型波束合成架构的四输入一输出总增益仿真结果。在0.5～1.5ghz频带范围内，增益约为26db，增益起伏不超过3db。表明本发明的基于高度复用真时延单元的新型波束合成架构具有较高的增益且增益平坦度高。

图8本发明所述基于高度复用真时延单元的新型波束合成架构的各通道延时仿真结果。在0.5～1.5ghz频带范围内，在输出端口1和2上，相邻波束的时延差分别为240ps和80ps，在天线间距10.5厘米的情况下，能够提供±43°和±13°四个扫描角度。实现了空间信号的同相叠加增强。

图9本发明所述基于高度复用真时延单元的新型波束合成架构的方向图仿真结果。在0.5ghz、1ghz和1.5ghz用仿真数据在matlab中生成的波束合成架构的辐射图。可见方向性良好，且随着工作频率的增加，天线阵的方向性更好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。