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本文中提出的可重构多波束形成网络实例化结构如图 5所示。图中,RFx为第x路射频微波信号输入。采用4端口Benes网络作为光交换阵列,与固定延迟多波束OBFN形成交换连接。其中天线阵面参数为16阵元均匀线性排列的1维阵列,工作中心频率为f0=4 GHz,阵元间隔取微波信号波长的一半,有d=37.5 mm。鉴于Benes网络为对称网络,即输入端口数量等于输出端口数量。因此,图 5所示的结构最多支持4路微波信号的多波束形成。假设发射系统需形成波束覆盖角度范围为[-22.5°,22.5°]的扇形区域,波束指向角度由式(8)进行计算,分别设置为-22.5°,-7.5°,7.5°,22.5°,对应于4个固定BFM。
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4路独立微波信号与4只固定BFM之间存在的连接可能数为24种。通过配置Benes网络中包含的6只2×2光开关的工作状态(直通状态:bar;交叉状态:cross)可以实现全部连接可能。将图 5中Benes网络中6只光开关单元的工作状态按从左至右,自上而下的顺序表示为一个6位序列[x1 x2 x3 x4 x5 x6],x可取值0或1,其中“0”值表示当前光开关处于直通状态,“1”值表示光开关处于交叉状态。而微波信号与固定BFM之间的连接状态,也可以按照自上而下的顺序也可以表示为一个4位序列[y1 y2 y3 y4],y可取值为1,2,3或4,表示当前固定BFM被用于进行微波信号y的波束形成。因此,上述24种可能的微波信号与BFM连接状态,均存在着对应的光开关配置状态(存在不同光开关配置状态可实现相同的连接状态的情况),其中的关系如表 1所示。
connection switch states connection switch states connection switch states connection switch states [1234] [000000]
[000101]
[101000]
[101101][2134] [001000]
[001101]
[100000]
[100101][3412] [010010]
[011110]
[110011]
[111111][4321] [010111]
[011011]
[110110]
[111010][1243] [000001]
[000100]
[101100]
[101001][2143] [001001]
[001100]
[100001]
[100100][3421] [010011]
[011111]
[110010]
[111110][4312] [010110]
[011010]
[110111]
[111011][1324] [000111]
[111000][2314] [011000]
[100111][3214] [010000]
[101111][4213] [010100]
[101011][1342] [000110]
[111001][2341] [011001]
[100110][3241] [010001]
[101110][4231] [010101]
[101010][1423] [000011]
[111100][2413] [011100]
[100011][3124] [001111]
[110000][4132] [001010]
[110101][1432] [000010]
[111101][2431] [011101]
[100010][3142] [001110]
[110001][4123] [001011]
[110100]Table 1. Connection of microwave signal-BFM and corresponding optical switch states of Benes networks
图 6展示了表 1中两种微波信号-BFM连接状态与Benes网络光开关配置状态以及对应连接状态的波束方向图。图 6a中,Benes网络光开关配置状态为[000000],得到微波信号-BFM连接状态为[1234],因此形成了图 6b所示的波束方向图;图 6c中,Benes网络光开关配置状态为[001010],微波信号-BFM连接状态为[4132];该连接状态下形成的波束方向图如图 6d所示。对比图 6b和图 6d可以发现,不同颜色所代表的信号波束指向角度发生了变化。因此,重构Benes网络中光开关配置状态,就可以实现微波信号与BFM的不同连接状态,从而实现对信号波束指向角的切换。
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不同于采用VOTTD的多波束OBFN发射系统中,需要独立控制所有VOTTD单元中的光开关实现对波束形成角度的控制,在固定延迟多波束OBFN发射系统中,对信号波束形成角度的控制是通过配置光交换阵列中的光开关实现的。前者系统中包含的光开关数量Nswitch与天线阵元数量NAE、独立微波信号路数NRF以及波束数量Nbeam有关,针对具体的工作场景需求,可以通过式(7)进行计算。而后者系统中包含的光开关数量Nswitch′与系统中所采用的光开关交换网络类型有关,此处以端口数为NRF的Benes网络为例,系统中包含的光开关数量可以通过下式计算:
上式表明,固定延迟多波束OBFN中包含的光开关单元数量Nswitch′仅与独立微波信号路数NRF或波束数量Nbeam有关。
为了更好地对比两方案中包含的光开关数量,假设在基于VOTTD的多波束OBFN中存在Nbeam=NRF的限制。通过式(7)和式(9)进行计算,将得到的结果绘制折线图,如图 7所示。
对比图 7中相同线型可以直观发现,当两种OBFN系统具有相似的波束形成能力,即能为相同数量级的独立微波信号提供多波束形成时,基于VOTTD的多波束OBFN发射系统中包含的光开关数量远大于固定延迟多波束OBFN发射系统,且两者间的差距随着阵面中天线阵元的数量的增长而愈发显著。因此,固定延迟多波束OBFN减少了光开关单元的使用数量,也意味着其具有更低的成本和控制复杂度,更适合为未来无线通信系统中集成了大量天线阵元的阵面提供波束形成。
图 6d和图 6b中多个信号波束指向角分别为-22.5°、-7.5°、7.5°、22.5°,各个波束指向角间隔Δθ相等,为Δθ=15°。此外,并对比式(2)和式(8)中所描述的OBFN波束排布可以发现,固定延迟多波束OBFN发射系统具有相等的波束指向角间隔,所形成的波束排布更为均匀。因此,该方案平滑了多波束指向角度。
综上所述,相比于采用VOTTD的多波束形成网络,固定延迟多波束形成网络的优点在于:极大地减少了光开关单元的使用数量,具有更低的系统成本和控制复杂度;同时形成的信号波束排布更均匀,平滑了多波束指向角度。但该方案也存在着不足:由于采用了固定延迟的BFM来形成固定指向的波束,因此形成的波束欠缺了灵活性,同时有限且固定的波束无法充分覆盖扇形区域。一种有效的解决办法是增加波束数量,鉴于Benes网络中输入-输出端口数量N仅能拓展为2的幂指数倍的限制,即N为4,8,16等,因此可以采用端口设置更灵活的光交换阵列,例如树型网络中的Spanke’s网络或Jajszczyk’s网络等。另一种解决办法是增加波束的灵活性,例如将部分BFM替换为VOTTD阵列,在保持较低的光开关使用数量的前提下,拓展波束的覆盖范围。