混合波束赋形接收机动态范围—从理论到实践

摘要
本文介绍了相控阵混合波束赋形架构中接收机动态范围指标的测量与分析的比较。本文回顾了子阵列波束赋形接收机的分析，重点是处理模拟子阵列中信号合并点处的信号增益与噪声增益之间的差异。本文分析了开发平台接收机性能，并与测量结果进行了比较。最后讨论了结果要点，旨在提供一个可用于预测更大系统性能的测量与建模基准。

引言
相控阵波束赋形架构大致可分为模拟波束赋形系统、数字波束赋形系统或以上两者的某种组合——采用模拟子阵列，经过数字处理后形成最终天线波束方向图。后一类（基于数字组合的子阵列）结合了模拟和数字波束赋形，通常称为混合波束赋形。

在业界对软件定义天线的探索中，人们非常希望实现全数字相控阵，以便最大限度地提高天线方向图的可编程性。在实践中，特别是随着频率提高，封装、功耗和数字处理方面的挑战迫使人们减少数字通道数。混合波束赋形缓解了实施工程师常常面对的数字通道密度需求，因此可能会在未来某个时间作为一种实用方案出现。1

图1展示了一个代表性混合波束赋形架构，显示了该架构中包含的主要子系统。大多数混合波束赋形系统都是这一概念的某种变体。从右到左观察框图，可以直观地理解该架构：空中的波前入射到天线元件，经过微波电路到达数据转换器，再进行数字处理后形成最终的数字波束数据。框图将混合波束赋形架构展示为七个子系统的组合：

1. 天线元件：将空中的微波能量转换为同轴介质上的微波信号。
2. 发射/接收(T/R)模块：包含接收低噪声放大器(LNA)和发射高功率放大器(HPA)，以及用于在发射和接收之间进行选择的开关。
3. 模拟波束赋形：将选定数量的元件组合成一个模拟子阵列。
4. 微波上/下变频：如果工作频率大于数据转换器的工作范围，则使用频率转换将工作频率转换为适合数据转换器处理的中频(IF)。
5. 数据转换器：将微波频率转换为数字。
6. 数字上/下变频：随着高速数据转换器的普及，数据转换器的速率通常大于处理带宽所需的速率。使用数据转换器集成电路(IC)中嵌入的数字上/下变频特性，将同相/正交相位(I/Q)数据流降低到与应用的处理带宽相称的较低速率，可以节省系统功耗。
7. 数字波束赋形：最后，将I/Q数据流加权合并，形成最终的数字波束数据。

为了计算任意级输出端的噪声功率，须将器件折合到输入端的噪声与输入噪声线性相加，然后转换回dBm/Hz并加到器件噪声增益上。

要根据器件噪声系数计算折合到输入端噪声，须计算噪声温度并转换为折合到输入端的噪声功率。
噪声温度(Te)可以根据器件噪声系数计算：

其中T为环境温度（单位为K）。
根据噪声温度可以计算折合到输入端的器件噪声：