隨著邁入對高頻譜效率要求很高的大容量無線接入系統的時代，天線陣列正發揮著越來越重要的作用。MIMO天線陣列已經成為蜂窩和無線局域網標準的組成部分。這些有源天線陣列在下一代高通量衛星（HTS）通信中也將發揮同樣重要的作用。

此外，OneWeb、Telesat、SES和SpaceX等公司的大型低地球軌道（LEO）和中地球軌道（MEO）衛星星座將需要可跟蹤多顆衛星的地面終端天線，這些趨勢正在推動從具有靜態固定波束模式的無源天線向全方向可調的有源智能天線轉變。

本文討論了數字波束成形(DBF)在容量、控制和靈活性方面的優勢，并描述一個采用真時延（TTD）實現DBF的商用ASIC，它是DBF與集成射頻前端（RFFE）相結合，使得模塊化的電掃多波束陣列（ESMA）天線系統適用于更廣泛的應用場景。

對于均勻線性陣列，以角度θ入射的波前在不同陣元上產生延遲（τ…Nτ），這種延遲導致天線陣列的波束會隨頻率而變化。為了在所需的頻率范圍內具有平坦的波束，天線的相干帶寬應大于信號的帶寬，這意味著Nτ<

這個條件要求系統具有進行延遲補償以相干地疊加信號。下圖顯示了由于陣列的頻率選擇性而產生的波束偏移，這在真時延（TTD）波束形成中不會發生。關系式Nτ<

SatixFy開發的TTD DBF見下圖。Prime ASIC具有模塊化和靈活的架構，支持實時重新配置、在線校準和構建大型天線的可擴展性。Prime在每個天線陣元上都使用高速模擬數字轉換器（ADC）和數字模擬轉換器（DAC）對信號進行數字化，處理數據速率超過2Tbps。

Prime通過高帶寬的I/Q接口連接到包含射頻收發器的RFFEs。在每個DBF中，ADCs和DACs都連接到高分辨率的數字相移器和數字延遲電路，這些電路實現了TTD，以避免波束偏移，從而實現寬帶信號的發送和接收。DBF芯片通過一個高速數字串行總線（SERDES）互相連接，實現了高度集成、可控和可擴展的天線系統。

Prime DBF的關鍵特性包括：

? 超過1 GHz的瞬時信號帶寬。

? 多波束能力：最多可達32個波束，每個波束都有獨立的相位、增益和延遲控制。

? 每個波束形成器鏈路的均衡/預均衡和數字預失真。

? 2 GHz模擬基帶接口。

? 與SatixFy的Sx3000調制解調器通過SERDES接口緊密集成。

? 支持帶有L波段接口的外部調制解調器。

? 非常高速的波束跟蹤和波束轉向。

? 線性和圓極化控制。

? 內部同步引擎的自我校準。

? 天線控制與Sx3000調制解調器集成。

? 為應用量身定做的省電模式和配置。

靈活的ESMA架構使得具有低重量和低功耗、低成本、自適應的天線系統成為可能，使得該系統對于各種應用都具有很強的吸引力：

物聯網(IoT)

在農村地區，衛星可以提供盲區覆蓋，將傳感器和其他實體連接到云端，如用于農業、天氣、石油和天然氣測量的傳感器。ESMA使得可以自動搜索、獲取和跟蹤衛星的緊湊型、低成本和低功耗的物聯網天線成為可能。ESMA消除了笨重的機械結構，大大降低了安裝成本，并使得在車輛、船舶、飛機和無人機上的移動應用成為可能。使用適當的波形，可以使得小天線尺寸在非常低的信噪比下進行通信成為可能。

寬帶通信，適用于陸、海和航空應用

高容量的GEO網絡和新的LEO和MEO衛星群將有助于滿足對寬帶接入的需求，無論是在偏遠地區的固定終端還是SOTM應用。在過去的十年里，商業航空公司對寬帶連通性和機上娛樂的需求表明了對低阻力和高可靠性天線系統的需求，這使得基于ESMA的共形天線成為一個好的解決方案。

同時的多波束能力使得與多顆衛星的同時連通以及在切換高速LEO衛星的波束時保證無縫連通成為可能。這些同樣的優點也延伸到了陸地移動和海洋應用，其中基于ESMA的SATCOM鏈接可以與陸地廣域通信共存。ESMA可以根據所需的鏈路預算、物理尺寸、重量和功耗約束進行縮放。

5G應用

與4G相比，5G數據速率的躍升依賴于具有多個寬帶、定向波束的智能天線。ESMA的波束形成能力可以將頻譜利用率提高兩個數量級。DBF中的高精度相移器和TTD使其適用于毫米波和sub-6 GHz陣列。

ESMA的靈活性使得可以動態地重新配置波束，并結合1D和2D雙極化掃描，適用于視線和非視線通道條件。通過TTD波束形成，可以在整個蜂窩頻段內實現高增益和無偏移的天線模式。