在之前關于真時延單元的文章《精準指向的藝術：真時延技術深度解析》中，我們探討了真時延技術如何在有源電子掃描陣列（AESA）系統中工作，以及實現時延的一些方法；如單片微波集成電路（MMIC）、微帶線和帶狀線。其中，MMIC因其體積小、成本低而最為常用。

在現代通信、雷達和相控陣系統中，時延單元（TDU）是實現精確信號發射和接收的基本組件。這些單元確保多個天線元件之間的信號同步，對于優化波束成形、方向性和距離分辨率等性能指標舉足輕重。本文將探討TDU在相控陣系統中的角色、它們與天線性能的關系，以及不同的設計考量如何影響系統效率。討論還將深入到TDU與移相器的集成、真時延技術，以及波束寬度、掃描角和陣列尺寸之間的關系。

相控陣系統與時延單元

相控陣系統廣泛應用于雷達、通信系統和衛星跟蹤等需要定向信號發射及接收的應用中。典型的相控陣由單元陣列子陣構成，每個陣列子陣包含多個天線元件及相關電子設備，如波束成形集成電路（BFIC）和射頻（RF）前端模塊。這些陣列子陣通常按2x2方陣等配置排列，以便根據需要擴展整體陣列的尺寸及性能，如圖1所示。

圖1，以2x2陣列子陣方陣構建的相控陣

相控陣有效運行的關鍵在于能夠控制每個天線元件接收或發射信號的相對時序。這正是TDU的作用所在；它們通過在信號路徑中引入受控時延，以確保陣列中信號的正確時序，從而促進相干波束成形并改善信號的方向性。接下來，讓我們探討一下相控陣系統的主要性能指標。

相控陣的品質因數：EIRP和G/T

相控陣系統中兩個關鍵的性能指標是等效全向輻射功率（EIRP）和增益溫度比（G/T）；其中，EIRP衡量發射機功率，而G/T評估接收機的靈敏度。EIRP測量天線陣列在特定方向上的有效輻射功率，這對于在傳輸過程中實現足夠的信噪比（SNR）十分關鍵。另一方面，G/T是衡量陣列靈敏度的指標，在接收過程中尤為重要。以下是計算這些性能指標所用的數學公式。

相對于各向同性天線的分貝值（dBi）是一個度量單位，用于描述與同時向所有方向輻射的各向同性輻射器相比，天線在單一方向上的輻射功率大小。這兩者間的差異稱為天線增益，以dBi形式的數值表示。

圖2，各向同性天線與定向天線陣列

EIRP和G/T都與陣列的輻射功率和增益直接相關，而這些又取決于放大器性能、天線設計和波束成形技術。天線陣列和波束成形技術提高了系統的方向性；但隨著方向性的增加，波束寬度也隨之變窄，從而給保持足夠的瞬時帶寬帶來挑戰。此時，工程人員必須仔細評估系統級的權衡因素，以優化設計。

波束成形與陣列設計的權衡

天線陣列通常采用均勻線性陣列（ULA）或均勻矩形陣列（URA）配置進行設計；在這兩種設計中天線元件分別沿一個或兩個軸等距分布。波束成形技術通過將發射或接收的信號聚焦在一個特定方向（稱為到達方向，DOA）來提高陣列的方向性。

圖3，均勻線性陣列與均勻矩形陣列的比較

相控陣系統的主要設計權衡之一在于波束寬度與方向性間的取舍。陣列大小和天線元件數量在此權衡中起關鍵作用。隨著元件數量的增加，波束寬度變得更窄，從而提高方向性和增益。然而，過窄的波束寬度可能限制陣列的能力，無法在不顯著降低系統瞬時帶寬的情況下捕獲來自廣泛方向的信號。

天線陣列的最小波束寬度必須確保瞬時帶寬大于所需信號帶寬，以保持信號的完整性和性能。天線陣列的波束寬度受陣列大小和最大掃描角度的影響。隨著陣列尺寸的增大，尤其是天線元件數量翻倍時，波束寬度會變窄，從而使信號發射和接收更加聚焦。這種聚焦增強了陣列的方向性——大約可翻倍或增加3dB，如圖4所示。這種關系對于實現相控陣系統的最佳性能至關重要，其中波束成形和信號方向性是必不可少的。

圖4，圖示波束寬度 vs 元件數量 vs 相對方向性

瞬時帶寬與波束寬度

天線陣列的瞬時帶寬必須大于所需信號帶寬，以確保陣列能夠容納整個信號而不會顯著衰減。例如，在雷達系統中，脈沖寬度（Td）決定了所需信號帶寬（Bs），較短的脈沖寬度可提供更好的測距分辨率，但會降低最大探測范圍。因此，較短的脈沖寬度可提高測距分辨率，從而更容易且更準確地區分彼此靠近的目標。

陣列的波束寬度與陣列中的元件數量（N）和掃描角度（θs）有關。對于在最大頻率為10GHz且信號帶寬為1.5GHz條件下工作的ULA，陣列最多可以支持16個振子，并且在最大掃描角度為60度時不會顯著影響信號質量。陣列的波束寬度可以進一步根據波長（λ）、陣列大小和掃描角度進行計算。

例如，在一個最大頻率為10GHz的ULA中，Bs=1.5GHz，最大掃描角（θs，max）=60°，則該天線在不顯著降低信號質量的情況下，最多可擁有16個陣列振子。

此外，陣列的波束寬度可以通過以下公式定義：

利用上述方程，我們可以定義不同陣列尺寸波束寬度和掃描角度之間的關系，如下圖所示。

圖5：不同陣列尺寸和掃描角度下的波束寬度

現在我們有了確定所需帶寬、陣列大小和最大掃描角度的數據，以滿足系統要求。

確定ULA系統中的真時延

在波束成形系統中，移相器和時延單元都被用來控制信號在陣列振子間的路徑。移相器通過改變信號的相位來引導波束指向特定方向；時延單元則在信號中引入真延遲，來獲得更精確的控制，尤其是在寬帶情況下。

天線陣列的最小波束寬度必須擁有大于所需信號帶寬的瞬時帶寬。隨著陣列尺寸的增加和掃描角度的擴大，這一要求變得尤為關鍵。TDU引入真時延而非相位移動，可以實現更精確的波束控制，特別是對于寬帶信號。

利用下圖6中的圖表，我們可以確定ULA系統所需的時間延遲。

圖6，不同陣列尺寸和掃描角度下的波束寬度

一個典型6位移相器的最低有效位（LSB）為5.625°。大約需要τ min = 75ps（皮秒）的LSB時延來替代一個5.625 LSB移相器。根據圖6和下面的方程，對于一個具有60°最大掃描角的16振子ULA，總共需要650ps的時間延遲。針對更大的陣列或更寬的掃描角，也可以將多個TDU級聯起以實現所需的延遲。

波束形成器IC配置中的時延單元類型

AESA天線可以使用移相器或TDU來控制信號波束；每種方式都有不同的權衡。TDU更適合于具有較大瞬時帶寬的系統；因為其通過在整個頻率范圍內保持恒定的相位斜率來防止波束失真（即波束傾斜）。相比之下，移相器保持恒定的相位，但在不同頻率下可能導致不同的波束導向角度，因此更適合于較窄帶寬的系統。

移相器近似時間延遲，在中心頻率上實現最佳波束控制，但在較高頻率下可能導致欠轉向，在較低頻率下則出現過轉向。雖然移相器成本更低且應用廣泛，但它們可能在寬帶應用中產生波束傾斜。

有些架構同時采用TDU和移相器來緩解這一問題，將兩者的優勢結合起來，如圖7右側所示。工程人員在決定采用哪種方法時，必須考慮系統要求，如陣列尺寸和帶寬。在某些情況下，在陣列振子上使用移相器、在部分振子后方布置TDU的混合解決方案可能就足夠了；而更大的陣列或寬帶應用則可能需要在每個天線振子上都配備TDU。

圖7，四通道AESA陣列子陣

時延單元拓撲結構

時延單元的實現方法多種多樣，包括開關延時線、傳輸線，以及電感（L）和電容（C）元件。設計人員會綜合考慮各種權衡因素，選擇最佳的拓撲結構以滿足設計要求。拓撲結構的選擇取決于系統的具體要求，包括所需的延時范圍、精度以及陣列的物理尺寸。

TDU采用多級結構（由比特位表示）來控制時間延遲。基于開關的TDU設計具有更低的噪聲和損耗，但需要更大的裸片尺寸，有時甚至比人工傳輸線（ATL）設計大三倍。然而，ATL設計由于其人工結構，往往會造成更多的噪聲和損耗。

在雷達應用領域，掃描角度起著關鍵作用；其基于具體應用需求，決定了系統究竟應針對近距離目標檢測，還是遠距離目標檢測進行優化。TDU用于調整脈沖寬度，從而影響檢測范圍。舉例來說，2ps（皮秒）的時延可容納較短的脈沖寬度，適用于檢測較近的物體；而4ps的時延則適用于較長的脈沖，能夠檢測較遠的物體。下表展示了在精細和粗略模式下，每一比特位所代表的皮秒級時延。每個應用都需要特定的時延；例如在精細模式下，TDU提供2ps的最小時延和254ps的最大時延；在粗略模式下，TDU可提供高達508ps的最大時延。

表1，比特位與時延的對應關系（精細模式 vs 粗略模式）

結論

時延單元是現代相控陣系統中的關鍵組件，提供了精密波束成形和提升系統性能所需的精確控制。無論單獨使用還是與移相器結合使用，TDU在雷達、通信系統、衛星跟蹤等應用中均發揮著不可或缺的作用，有助于實現所需的波束寬度、方向性和信號帶寬。

時延單元的設計和實施涉及多個方面的權衡，包括陣列尺寸、掃描角度和帶寬。通過精心選擇適當的TDU拓撲和配置，系統設計人員可以在滿足日益復雜寬帶應用需求的同時優化性能。