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一种片上同时多波束形成及切换设计方法

作者：陶小辉李庄荣大伟姜力晖曹锐

来源：《电脑知识与技术》2020年第21期

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摘要：本文介绍了一种面向相控阵的片上同时多波束形成及切换系统设计方法，该方法可

根据后端计算能力自由输出任意多个波束，实现全空域覆盖，并研制了原理样机，暗室测试结

果表明可实现同时多波束输出。

关键词：相控阵，同时多波束，波束切换

中图分类号：TP311文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）21-0219-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

引言1

灵活的同时多波束形成是相控阵[1]系统是实现探测、成像、通信等重要功能的根本与核

心技术，例如目前正在设计中的世界最大射电望远镜——平方公里阵列望远镜SKA[2]，即是

利用大量天线组成超大规模的数字阵列，依靠其超大口径与同时多个独立敏捷波束，实现全空

域巡天、对极弱宇宙信号的超高灵敏度探测以及超高分辨率成像。

美国国防高级研究计划局（DARPA）对同时多波束相控阵系统的开发高度重视，联合洛

马公司、雷声公司等世界顶级研究机构一起探索理想的相控阵列架构。但目前相控阵系统的波

束形成方法大多很难实现多波束的孔径复用，且无法升级扩展，常规数字波束形成方案则使得

系统研发成本高昂、体制复杂，难以广泛应用。

本文研究了一种可灵活升级的片上同时多波束形成及切换设计方法，通过波束形成芯片实

现全空域的同时多波束，然后根据后端计算处理能力，通过波束切换网络将所需波束提供给后

端进行数字域二次波束形成，不仅具有灵活升级能力，还大幅降低电路面积及功耗，能够广泛

应用于雷达探测、5G通信、射电天文、遥感成像等领域。

系统设计分2析

片上同时多波束形成及切换系统框图如图1所示，天线输出的信号经过波束形成网络后输

出16个同时多波束，实现全空域覆盖，然后16个波束进入波束切换开关芯片，根据后端计算

处理能力选择输出任意多个波束。该系统可以将任意方向输入波束切换至任意输出端口，这样

既满足了当前数字波束形成能力情况下的波束扫描需求，当后续数字波束形成能力增强时也可

根据系统处理能力增加输出波束个数。

同时多波束形成2.1芯片设计

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同时多波束形成系统由8片波束形成芯片组成两级延时网络，实现对二维空间波束信号的

合成，其基本单元为4输入4输出的波束形成芯片，能够同时输出四路不同方向的波束，在方

向图上生成四个波瓣，对空间4个方向的信号做空域滤波处理，实现了有效的预空域滤波处

理，减小了后级数字信号处理部分的数字域波束形成的设计复杂度以及面积和功耗。