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MIMO技术和相控阵雷达系统中的相参解决方案

AnaPico的APMS多通道相参信号发生器可满足多种应用的需求,例如测试相控阵、波束成形天线、卫星有效载荷以及量子计算。通过独特的设计,信号发生器可提供出色的通道间相位相干性,并可扩展至几乎任何数量的通道。PHS选件增加了相位相干切换、相位存储和相位匹配功能。
MIMO技术和相控阵雷达系统中的相参解决方案
技术背景:
现在很多电子系统采用多通道相参技术,典型的应用包含无线通信系统中MIMO技术和相控阵雷达系统。这些系统都通过采用多通道相参技术来提高系统的工作性能,例如MIMO提供通过多通道传输来提高接收机信噪比,改善复杂电磁环境下高速数字通信的质量。MIMO技术充分利用多天线特性来抑制信道衰落,从而有效克服多径衰落、干扰等影响通信质量的主要因素,提高信号的链路性能;并能在不增加带宽的情况下,成倍提高通信系统的容量和频谱利用率,因而MIMO技术已成为下一代无线局域网发展的趋势。与发射机相比,MIMO接收机的结构更为复杂,它包含了诸如分集接收模块、同步估计与补偿模块、信道估计与均衡模块等决定系统性能的组成部分,也正是MIMO系统能否正常工作的关键。因此对MIMO接收机的测试是MIMO系统完整测试过程中不可或缺且至关重要的环节。而相控阵雷达系统通过相参多通道来提高电磁波束的扫描速度,并利用多波束技术来实现多功能或多用户应用。这些相参电子系统包含多个天线单元,通过信号处理、控制,达到对天线的波束合成、发射模式的自动优化功能。为了实现该功能,每个天线单元发射的信号必须满足相位相干的要求。
问题与挑战:
实际上,波束赋形技术本身,并不是一个新鲜的概念。这个概念早已经在雷达、航空航天以及太阳能系统中得到了大量的应用。从本质上,波束赋形是一种多天线技术,通过对每个天线的发送信号在幅度和相位上进行加权,从而使得各天线进行相长相干或是相干相消,以使发送的信号具有空间选择性。
仿真和测试诸如相控阵或波束成形天线之类的多天线系统,需要测试系统能够提供多路具有确定性频率和幅度的信号,并且这些信号之间具有稳定的、用户可调的相位关系。
因此,多通道相参测试验证系统的实现提出了前所未有的挑战,主要的技术难题包含:在发射端,要求多台信号源模拟的多路信号之间必须真正实现相位相干和时间相关。
为此,AnaPico的APMS-ULN系列多通道相参信号发生器为这些应用提供了精心设计的解决方案,封装紧凑,具有独特的相位相干信号功能。APMS-ULN系列是一款紧凑的四通道单独控制输出高达40 GHz的相参信号发生器,可以经济高效地满足多种新测试应用的苛刻要求。
术语:
在谈论信号和相位相干性时,尽管每个术语都有非常具体的含义,但有时会互换使用各种术语。本文中使用的重要定义如下。
相位连续性和不连续性——如果在切换频率之后,信号的相位与发生切换之前的信号相同,则信号是相位连续的。如果切换后相位改变,则信号是相位不连续的。
相位相干性——如果两个信号之间的相位关系保持恒定,则认为两信号具有相位相干性。
相位相干切换——相位相干切换定义了频率切换完成后信号的相位状态。如果频率为f且相对相位为Φ的两个信号每当回到频率f时,如果相对相位再次变为Φ,则称为相位相干切换。
相位存储——如果信号从频率f1切换到频率f2再回到频率f1,该信号的相位与在f1连续运行时的信号相同,则该信号具有相位存储。
相位匹配输出——如果所有输出频率具有0度的相对相位,则多通道信号发生器输出为相位匹配信号。
关于APMS-ULN系列多通道相参信号源
AnaPico的APMS-ULN系列多通道相参微波信号发生器频率覆盖范围300kHz~40GHz,并在紧凑的1U 19英寸机架安装式机箱中具有1-4个通道。它们具有较高的稳定性、相位相干性和极快的调谐速度,并且每个通道的频率、相位、幅度和调制都可以单独编程。其他优势还包括紧凑的设计、出色的相位噪声、高输出功率、输出电平准确且控制简单。

每个通道具有异常低的相位噪声和高度相关性,无论是短期还是长期的,均具有出色的相位相干性。单个单元所有通道之间共享高稳定性同步电路,采用专有技术进行精确的频率合成,即使经过数小时或数天的不间断使用,也可确保通道之间的系统相位漂移很小。一些应用需要四个以上的单独输出,并且需要在长时间内保持相位稳定性。APMS-ULN提供了专门的时钟同步模式,它使用后面板上的两个端口来维持一组级联的APMS-ULN不同设备之间输出通道的相位一致性。这样,APMS-ULN可以扩展到几乎任何数量的通道。

多通道相参信号发生器

图1:APMS-ULN系列选用高隔离机箱形式可使输出通道间的隔离度高达90dB

参数 Min Type Max 备注
范围 300kHz

6GHz

12GHz

20GHz

33GHz

40GHz

APMS06G-ULN

APMS12G-ULN

APMS20G-ULN

APMS33G-ULN

APMS40G-ULN

输出通道数量 1
4
频率分辨率
<0.001Hz

相位调节范围

36
每通道单独可调
相位分辨率
0.1º


输出功率范围 -90dBm
+25dBm 每通道单独可设
频率/功率切换速度
25μs
选件FS
SSB相位噪声@10GHz

-100dBc/Hz

-112dBc/Hz

-128dBc/Hz


@10Hz 选件LN

@1kHz

@100kHz

输出通道间隔离度 80dB 90dB

调制方式
脉冲、PM、AM、FM

表1:APMS-ULN系列主要指标参数

为了证明APMS-ULN随时间变化的相位稳定性,我们使用三种方法进行验证:
•其他厂商的传统方式:使用两台信号利用100MHz信号作为外参考同步,分别输出两路“相参信号”;见图2
•使用两台APMS-ULN信号源利用自身的产生的3GHz时钟参考信号作为外参考同步,分别输出两路相参信号;见图3
•使用一台APMS-ULN系列信号源直接输出多路相参信号。见图4

多通道相参信号发生器

图2:两台信号利用100MHz信号作为外参考同步

多通道相参信号发生器

图3:使用两台APMS-ULN信号源利用自身的产生的3GHz时钟参考信号作为外参考同步

多通道相参信号发生器

图4:使用一台APMS-ULN系列信号源直接输出多路相参信号

基于上述三种不同的实验,我们通过连续10小时观察得到各自关于相位稳定性的输出数据曲线,见图5。

多通道相参信号发生器

图5:三种不同实验获得的持续10小时测得的相位稳定性曲线

图5中,水平轴为时间,垂直轴为相位误差。
红色曲线为两台信号源通过100MHz进行外参考同步输出的两路信号间的相位关系,我们发现随着时间推移,两路信号的相位误差越来越大,意味着两路信号间存在较大的相对相位漂移,且这种漂移是离散的,即在运行一段时间后就无法在某一个时刻通过一个通道的信号相位确定另一个通道的信号相位,并且其它厂商经常推荐的10 MHz参考信号同步则会产生更差的性能。
绿色曲线为两台信号源通过3GHz进行外参考同步的两路信号间的相位关系,蓝色曲线则为同一台设备直接输出两路信号间的相位关系,我们发现即使过了10个小时,两路信号的相位误差近乎是一条水平直线,意味着两路信号间只存在很小的相对相位漂移,即在运行很长一段时间后我们也可以通过一个通道的信号相位确定另一个通道的信号相位。而是事实上APMS-ULN系列多通道相参信号发生器通道间的相位漂移5小时内小于0.17 º @5GHz!
除了出色的通道间相位稳定性外,APMS还支持相位相干切换和相位存储(见图6)。它的通道可以同步,可以在任何频率下始终保持设定的相位关系。作为相位相干切换的示例,考虑设置为相同频率f1且相位偏移为Φ的两个通道。在将两个通道切换到任何其他频率,然后又回到初始频率f1之后,它们将具有相同的相位偏移Φ。还可以将APMS编程为相位匹配输出(Φ = 0度)。对一个通道进行编程不会影响其他通道的信号;只有被编程的通道具有相位不连续性。使用相位存储,每当信道频率跳变,然后返回到先前的频率时,其行为就好像一直在先前的频率下运行一样。通过级联和同步多个APMS单元,可以将所有这些功能扩展到四个以上的通道。

多通道相参信号发生器

图6:APMS-ULN系列多通道相参信号发生器具有相位相干切换(a)和相位存储(b)

结论:
AnaPico的APMS多通道相参信号发生器可满足多种应用的需求,例如测试相控阵、波束成形天线、卫星有效载荷以及量子计算。通过独特的设计,信号发生器可提供出色的通道间相位相干性,并可扩展至几乎任何数量的通道。PHS选件增加了相位相干切换、相位存储和相位匹配功能。




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