A Fully Reconfigurable RF Vector Modulator based Wideband Phase Shifter for NextG Beamforming Phased Array in Satellite Communications (SATCOM)

技术摘要：一种用于下一代卫星通信波束赋形相控阵的全可重构射频向量调制器型宽带移相器

问题陈述
非地球同步卫星星座（如 Starlink、Kuiper）的快速部署，需要能够进行电子波束赋形的先进波束赋形相控阵，以最大化频谱效率和系统容量。虽然传统的相控阵通常针对单频段操作（如 Ku、K 或 Ka 波段）进行了优化，但 6G 下一代（NextG）系统的出现引入了一个重大挑战：即需要覆盖从 7.125 GHz 到 24.25 GHz (FR-3) 及更高频段的宽带运行能力。

现有的移相器技术在这一宽带背景下面临特定的局限性。开关线（Switched-line）和负载线（Loaded-line）移相器提供中等的调谐范围和粗略的分辨率。真时延（TTD）模块虽然能有效防止波束走离（Beam-squinting），但存在插入损耗高、时延分辨率离散以及校准复杂的缺陷。传统的同相/正交（I-Q）向量调制器虽然提供连续的相位控制，但依赖于正交全通滤波器（QAF）网络或混合耦合器来产生 90° 相位差。这些传统组件表现出有限的带宽、频率相关的幅度/相位不平衡以及过高的损耗，从而降低了在现代卫星通信（SATCOM）所需的从 S 波段到 Ku 波段宽广频谱范围内的性能。

方法论
为了解决这些约束，作者提出了一种基于新型横向多支路有限脉冲响应（FIR）网络拓扑的全可重构射频向量调制器（RFVM）型移相器。该设计通过完全避免使用 QAF 网络，从而与传统的 I-Q 调制区别开来。

核心方法论包括以下步骤：

1. 横向 FIR 拓扑结构： RF 输入信号被分为多个支路（横向部分）。每个支路应用单独的增益加权和特定的时延。随后对信号进行重新求和以合成输出。
2. 双路径信号传播： 与单链 FIR 表示不同，所提出的 RFVM 采用了双路径架构（路径 1 和路径 2）。输入信号被分成两条互补的传播路径，这两条路径遍历相同的加权延迟支路，然后进行合并。
3. 广义相位控制： 系统引入了一个由两个控制参数定义的广义传递函数：一个连续相位调谐因子 ($\alpha$) 和一个离散角极性选择器 ($\gamma$)。通过操纵这些参数，系统可在四个象限内实现连续的 360° 相位偏移。
4. 系数合成： 支路增益分布遵循受离散傅里叶级数展开启发的奇次谐波系数律。有效系数是通过目标幅度响应的傅里叶投影导出的，从而允许在保持幅度响应的同时合成所需的相位状态。
5. 电路实现： 硬件实现由三个功能模块组成：信号分配（使用宽带巴伦和威金森功率分配器）、信号调制（使用可变增益放大器和 SPDT 开关以引导信号通过特定的延迟路径）以及信号重组。

关键结果与性能
论文展示了针对 5 支路 (N=2) RFVM 实现的理论分析和推导出的频率响应：

• 宽带覆盖范围： 该设计目标频段为从 S 波段到 Ku 波段（2 GHz 至 18 GHz）。
• 移相能力： 理论分析证明了实现全 360° 相位偏移的能力，并分为四个可选象限（Q1: 0°–90°, Q2: 90°–180°, Q3: -180°–-90°, Q4: -90°–0°）。
• 幅度保持： 在有效带宽内，理论模型表明该设计能保持幅度响应。对于中心频率为 20 GHz 且瞬时带宽（IBW）小于 500 MHz（典型的 SATCOM 参数）的情况，最大带内幅度偏差 ($\Delta\delta_{mag}$) 被限制在 1.18 dB 以内，相位偏差 ($\Delta\delta_{ph}$) 被限制在 3.9° 以内。
• 可扩展性： 分析表明，增加抽头对数 (N) 可以减少带内均方根（RMS）偏差和振铃效应（吉布斯现象），从而趋近于具有更宽有效带宽的理想方波响应。

意义与主张
作者声称，这项工作提供了一种新型的宽带移相方法，放宽了传统正交生成方法固有的频率限制。通过利用带有差分信号转换的横向 FIR 网络，所提出的 RFVM 避免了与 QAF 网络和混合耦合器相关的带宽限制和损耗。

该论文将此设计定位为下一代（6G）卫星通信系统的关键赋能技术，专门解决了在传统 I-Q 调制器中由于幅度不平衡和相位误差导致性能退化的情况下，实现跨宽频谱波段敏捷、连续波束赋形的需要。作者得出结论，所提出的拓扑结构为相控阵系统中实时的宽带射频信号处理提供了一种灵活的解决方案。未来的工作确定为将此 RFVM 集成到宽带波束赋形收发链路中，以进行空中（OTA）系统级评估。