时间调制阵列技术解析：硬件简化、并发多波束与ISAC应用

1. 项目概述：时间调制阵列——为ISAC而生的硬件简化革命

在毫米波和太赫兹频段，无线系统对高增益、可操控的定向波束有着近乎苛刻的需求。无论是5G/6G通信中的高速数据传输，还是雷达、成像等感知应用中的高精度探测，波束赋形技术都是实现这些功能的核心。传统的相控阵通过为每个天线单元配备独立的移相器和可变增益放大器，实现了对波束指向和形状的精确控制，但其代价是高昂的硬件复杂度、功耗和成本。想象一下，一个拥有64个单元的阵列，就需要64套移相器和增益控制电路，这在大规模部署时无疑是一个沉重的负担。

正是在这种对硬件效率的极致追求下，时间调制阵列技术重新回到了研究者的视野。TMA的核心思想非常巧妙：它不再（或不仅仅）依赖对每个天线单元幅度和相位的静态控制，而是引入了一个新的维度——时间。通过高速射频开关，周期性地“打开”或“关闭”阵列中的不同单元，或者快速切换其相位状态，TMA能够在频域上“创造”出多个并发的波束。简单来说，它把空间角度的信息“编码”到了不同的频率分量上。这种“空间-频谱”映射的能力，为集成传感与通信系统带来了前所未有的机遇。ISAC要求硬件能同时服务于通信和感知两种功能，传统架构往往需要两套独立的射频前端，而TMA有望用一套硬件，通过时分或频分的方式，同时生成用于通信的定向波束和用于感知的扫描波束，这从根本上简化了系统架构。

近年来，随着CMOS等先进集成电路工艺中射频开关速度的飞速提升（开关频率已达GHz量级），以及数字信号处理能力的增强，早期制约TMA发展的技术瓶颈已被打破。这使得在单颗芯片上实现高性能、低成本的TMA系统成为可能，也催生了一系列面向未来无线系统的创新应用。本文将深入拆解TMA的工作原理，剖析其在CMOS集成电路中实现的关键技术与挑战，并分享在系统设计和调试中积累的一线经验。

2. TMA核心原理：时间维度的波束“魔术”

要理解TMA，我们必须从最基础的数学模型和物理图像入手。很多人初次接触时会觉得它有些反直觉，但一旦理解了其频谱搬移的本质，就会豁然开朗。

2.1 数学模型与空间-频谱映射

考虑一个最简单的N单元线性接收阵列，单元间距为半波长。在传统相控阵中，每个通道的信号经过一个固定的复权重（即幅度和相位调整）后合并。在TMA中，每个通道上则引入了一个周期为T_TM的开关函数W_m(t)。这个函数就像一个高速旋转的“闸门”，控制着该通道信号是否被接入求和节点。

阵列的总输出信号A(θ, t)是各通道信号与开关函数乘积的叠加。由于W_m(t)是周期函数，我们可以用傅里叶级数展开它。这正是TMA魔法发生的地方：经过推导，最终的总输出信号会包含一系列频率分量，其形式为f_RF ± n * f_TM，其中f_RF是射频载波频率，f_TM是开关频率，n是谐波次数。最关键的是，每个频率分量（即每个谐波）对应的阵列方向图因子H_n(θ)是不同的。

其物理意义是：一个来自空间特定角度θ_n的信号，会被TMA“映射”到输出频谱中特定的谐波频率f_RF ± n * f_TM上。这个映射关系由公式θ_n = arcsin(2n/N)给出（对于均匀线性阵列）。这意味着，来自不同方向的信号，在输出端出现在了不同的频点上，从而在频域上被自然地区分开来。这就是TMA实现“并发多波束”接收的基石——无需多个并行的接收链路，仅凭一套前端加上后级的滤波器组或数字处理，就能同时接收来自多个方向的信号。

注意：这里的“并发”是真正的同时接收，而不是快速时分扫描。后者会损失时间分辨率，而TMA在理论上可以无损失地同时处理多个方向的信号，前提是开关频率足够高以满足奈奎斯特采样定理。

2.2 四种基本调制方案及其权衡

根据开关函数W_m(t)波形的不同，TMA主要有四种基本调制方案，它们在实际实现中各有优劣，需要根据系统指标进行权衡选择。

2.2.1 ON/OFF幅度调制方案

这是最直观的方案。在每个调制周期内，N个单元被依次、非重叠地“打开”一小段时间（T_TM/N），其余时间则关闭。这就像让一列霓虹灯管依次快速点亮。其优点是控制逻辑极其简单，只需要生成一组非重叠的脉冲序列即可。但缺点也很明显：在任一时刻，只有一个单元在工作，阵列的有效孔径被严重浪费，导致阵列增益较低，理论上比所有单元全开的传统阵列低10*log10(N) dB。这对于接收灵敏度或发射EIRP都是不利的。

2.2.2 连续工作的0°/180°相位调制方案

为了克服孔径浪费的问题，此方案让所有单元始终保持“开启”状态，但周期性地将其相位在0°和180°之间切换。这样做的好处是阵列孔径得到100%利用，因此每个谐波分量的阵列因子相比ON/OFF方案有大约6 dB的提升（对于n≠0的谐波）。然而，其代价是硬件复杂度的显著增加。它要求每个通道的射频开关不仅能通断，还必须能在两个精确反相的相位状态间高速、低损耗地切换。这通常需要设计精密的反射型或矢量合成型移相器，并确保其在GHz级切换速度下的相位精度和稳定性，对芯片设计提出了更高挑战。

2.2.3 偶对称/奇对称双开关方案

这两种方案是在ON/OFF方案基础上的增强。以偶对称双开关为例，每个单元在一个调制周期内被“打开”两次，且两次开启时刻关于周期中心对称。通过傅里叶分析可以发现，这种对称性会导致所有奇数次谐波（n=±1, ±3, …）的系数为零，即天然抑制了奇次谐波，同时将偶次谐波的增益提升了6 dB。奇对称方案则相反，抑制偶次谐波，增强奇次谐波。

这种选择性抑制特性非常有用。例如，在发射机应用中，我们可以利用它来抑制某些不需要的谐波辐射，减轻对滤波器的要求。但同样地，复杂度随之增加。控制电路需要生成更复杂的、具有精确对称性的脉冲波形，对时序控制的精度要求极高。

下表总结了四种方案的特性对比：

实操心得：在芯片选型初期，就必须根据系统链路预算确定对阵列增益的需求。如果增益余量充足，ON/OFF方案因其简单的数字逻辑控制而最具吸引力。若增益是瓶颈，则必须评估0°/180°相位切换电路的可行性。我们的经验是，在毫米波频段，设计一个宽带、低插损、相位精确的180°开关非常困难，往往需要额外的校准电路，这会抵消一部分复杂度优势。

3. CMOS集成TMA的关键实现与系统设计

将TMA理论转化为硅芯片上的现实，是工程��的核心挑战。CMOS工艺提供了高集成度和低成本的优势，但也带来了射频性能、功耗和设计复杂度的约束。

3.1 核心模块：高速射频开关与时钟生成网络

TMA的“心脏”是高速射频开关。在CMOS中，这通常由串联或并联的NMOS晶体管实现。设计要点在于权衡插入损耗、隔离度和线性度。

• 插入损耗：直接恶化噪声系数（接收）或输出功率（发射）。需使用大尺寸晶体管来降低导通电阻，但这会增大寄生电容，影响开关速度。
• 隔离度：在“关闭”状态，需要足够高的隔离以防止信号泄漏。这通常通过采用串联-并联堆叠结构来实现，但会进一步增加插入损耗和设计复杂度。
• 开关速度：决定了可用的最大调制频率f_TM。f_TM必须远高于信号带宽，以避免谐波间的混叠。在22nm CMOS SOI工艺中，已有工作实现了2 GHz的开关速度，这为宽带应用奠定了基础。

时钟生成与分配网络是另一个容易被忽视但至关重要的部分。为N个单元生成严格同步、且脉宽/相位关系精确的GHz时钟信号，并分配到芯片各处，会引入严重的时钟偏斜。我们的经验是，必须采用H树或网格状的全局时钟分布网络，并在每个单元本地放置数字缓冲器进行时钟重驱动和微调。在版图阶段，要严格保证时钟路径的对称性，并使用后仿真提取寄生参数来验证时序。

3.2 面向ISAC的典型应用架构解析

3.2.1 发射机并发多波束生成

传统上，生成M个独立波束需要M套完整的波束赋形器。文献[76]提出了一种巧妙的“混合静态/动态”架构，将一个4x4 Butler矩阵（静态波束形成网络）与一个4单元TMA级联。Butler矩阵本身可以产生4个固定方向的波束，而TMA将这4个波束中的每一个又在频域上“复制”出多个谐波波束（对于4单元TMA，可产生5个谐波分量）。通过巧妙地选择输入信号的载波频率，可以实现4（静态）x 5（谐波）= 20个并发波束，而硬件复杂度仅相当于一个4单元TMA加一个4x4无源网络，复杂度远低于20套并行波束赋形器。

系统设计考量：此架构的关键在于Butler矩阵的输出端口与TMA单元的匹配，以及整个链路的幅度/相位一致性校准。任何失配都会导致谐波波束的方向图畸变。我们在仿真中会特别关注Butler矩阵的带宽，因为其相位梯度随频率变化，可能影响谐波波束的指向稳定性。

3.2.2 接收机单线接口MIMO

这是TMA在接收端最吸引人的应用之一[74]。如图5(c)所示，一个N单元TMA接收机，其后仅需一个公用的下变频链路和ADC，就能同时接收来自N+1个不同方向的信号（对应基波和谐波）。这些信号在射频域通过TMA被频分复用，只需在数字域通过一组数字滤波器即可分离出各空间流，实现了真正的单通道MIMO接收。

链路预算与动态范围挑战：这是该架构最大的痛点。由于多个空间流的信号在射频前端就合并了，合并节点的信号总功率是各流功率的叠加。这就要求后续的ADC具有极高的无杂散动态范围，以避免强信号阻塞弱信号，或互调产物淹没其他信道。在我们的设计中，通常会为LNA设计额外的自动增益控制环路，并选择高动态范围的ADC。此外，开关的线性度也至关重要，非线性会产生新的频率分量，破坏空间-频谱的一一映射关系。

3.2.3 物理层安全与功率放大器回退效率提升

TMA的波束在空间中是固定的（由谐波阶次n决定）。对于非目标方向（即不在波束峰值方向）的窃听者，其接收到的信号是多个谐波分量的混合，在频谱上是混叠的，在调制星座图上会是严重畸变的，从而无法解调。这为无线通信增加了一层物理层的安全防护[78, 79]。

另一个有趣的衍生应用是提升功率放大器在回退区的效率。在多波束发射时，传统相控阵的各路信号在功率合成器上同相叠加，会产生很高的峰均比，迫使PA工作在效率很低的回退区。而TMA通过时间调制，避免了多路信号在电流/电压上的瞬时相干叠加，使得每个PA单元所经历的瞬时功率波动（PAPR）更接近于单路信号，从而可以工作在更接近饱和点的高效率区域[80]。

4. 性能深度对比：TMA与传统架构的权衡

理解TMA在系统级性能上的位置，对于方案选型至关重要。我们需要从接收和发射两个角度，将其与主流架构进行量化比较。

4.1 接收机性能对比

我们对比六种接收机架构：单天线基准、N单元单波束相控阵、N单元M子阵列模拟波束成形、N单元全连接M波束模拟波束成形、N单元M波束数字波束成形，以及N单元TMA接收机。

• 噪声系数：一个常见的误解是TMA因为开关周期性地关闭单元，会引入额外的噪声。但详细分析表明，在阵列的合并节点处，TMA的噪声功率谱密度与一个始终开启的单元相同。直观理解是：虽然每个单元前的噪声是周期开关的，但在任一时刻，合并节点只连接到一个单元，因此其噪声特性等同于一个连续工作的通道。所以，TMA在阵列级并不比传统架构有本质的噪声劣势。
• 硬件复杂度：这是TMA的核心优势。全连接模拟波束成形需要M*N个移相器和M个N路合路器。数字波束成形需要N个独立的射频通道和ADC。而TMA仅需要N个高速开关和一个合路器，复杂度最低。
• 吞吐量与SNR权衡：TMA的并发波束能力是有代价的。为了在频域分离各波束，每个波束可用的瞬时带宽会被压缩。假设总带宽为BW，对于N单元TMA产生的N+1个波束，若想保持总吞吐量不变，每个波束的带宽约为BW/(N+1)，这会导致每个波束的SNR下降。另一种策略是保持每个波束带宽不变，但这要求系统总带宽扩展为原来的(N+1)倍，对射频前端和ADC的带宽提出了更高要求。

4.2 发射机性能对比

对比类似的六种发射机架构，核心指标是EIRP和阵列效率。

• EIRP/波束：TMA（无论是AM还是PM方案）的每个谐波波束的EIRP，都低于将所有功率集中于一个波束的传统单波束阵列。这是因为TMA的功率被分散到了多个谐波上。PM方案由于孔径利用率高，其EIRP比AM方案高约6 dB。
• 阵列总效率：这是一个关键指标，定义为总辐射功率（所有波束之和）与阵列总功耗之比。分析表明，TMA的阵列总效率与全连接的多波束相控阵相当。这意味着，虽然每个波束的功率低了，但TMA用更简单的硬件实现了相同的“总辐射能力”，在需要并发多波束的场景下，其硬件效率更高。
• 谐波干扰：这是TMA发射机特有的挑战。产生的无用谐波（边带）是带外辐射，必须通过滤波器予以抑制，以满足通信标准的频谱掩膜要求。这增加了系统复杂度和插损。

下表从工程角度总结了TMA的利弊：

5. 工程挑战与未来演进方向

尽管TMA前景广阔，但在实际工程化道路上仍有几座大山需要翻越。

5.1 固定波束角度的桎梏

这是TMA最根本的局限性之一。基本TMA方案产生的波束方向是固定的，由公式θ_n = arcsin(2n/N)预先确定。虽然可以通过在TMA前端或后端增加一级传统移相器，让所有波束作为一个整体进行扫描[74]，但这无法实现每个波束的独立、任意指向。这对于需要动态跟踪多个移动用户的MIMO通信场景是一个硬伤。

现有解决方案的局限：有研究通过粒子群优化等算法，设计非均匀、非对称的复杂开关时序，来实现部分谐波波束的独立控制[82]。但这类方法产生的开关脉冲波形往往非常不规则（脉冲宽度和位置任意），在硬件上极难生成，时序控制的精度要求达到皮秒级，在当前技术下几乎不实用。

未来可能的方向：一种思路是探索“混合波束赋形”架构，将TMA与少量传统波束赋形通道结合。例如，用一个小规模数字波束赋形阵列提供高灵活性的波束，同时用一个大尺度TMA提供高增益的固定波束覆盖，两者协同工作。另一种方向是研究可编程的、能产生近似正弦波或特定形状波形的开关控制电路，在硬件复杂度和波束灵活性之间取得新的平衡。

5.2 发射谐波的管理难题

对于TMA发射机，除了目标谐波对应的波束，其他所有谐波都是无用辐射，是必须滤除的带外杂散。在频谱法规日益严格的今天，这要求发射机后必须跟随抑制能力极强的滤波器，增加了插损、尺寸和成本。

单边带TMA技术：学术界提出了“单边带TMA”的概念，旨在通过设计特殊的开关时序（如联合相位-时间调制[83]，或阶梯波近似[84,85]），从理论上消除一边的所有谐波。但这同样陷入了“理论美好，实现困难”的境地。这些方案要求的脉冲波形过于复杂，对时钟生成电路是巨大挑战。

工程化建议：在现阶段，更务实的做法是接受谐波的存在，并在系统设计层面管理它。例如：

1. 频段规划：将TMA系统的工作频段与谐波可能落入的敏感频段错开。
2. 滤波器协同设计：将输出滤波器作为TMA芯片的一部分进行协同设计和优化，采用片上或封装内滤波器，减少损耗。
3. 系统级校准：引入反馈环路，对由于开关非理想性（上升/下降时间、抖动）产生的谐波畸变进行数字预失真或校准。

5.3 系统集成与调试经验

最后，分享几点在芯片设计和系统调试中踩过的“坑”：

• 时钟抖动是性能杀手：开关时钟的抖动会直接转化为谐波频谱的展宽和噪声基底抬升，严重恶化接收机灵敏度和发射机EVM。必须对时钟生成电路的相位噪声提出苛刻要求，并采用低抖动的时钟源。
• 通道失配必须校准：即使采用简单的ON/OFF方案，各通道开关的插入损耗、导通电阻的微小差异，也会导致各谐波波束的增益不平衡和指向误差。需要在芯片中集成简单的校准环路，例如注入测试信号，通过监测输出谐波功率来反推并补偿通道失配。
• 电磁耦合与隔离：在密集的阵列芯片上，高速开关动作会产生丰富的谐波，这些谐波可能通过衬底或空间耦合到其他敏感电路（如本振、ADC）。版图设计时必须充分考虑隔离，使用深N阱、保护环、单独供电域等手段。

TMA技术正站在从学术研究走向产业应用的关键节点。它在硬件简化方面的巨大潜力，尤其适合对成本、功耗和集成度有严苛要求的大规模ISAC节点（如物联网终端、分布式MIMO中的射频拉远单元）。尽管在波束灵活性和谐波管理上仍有挑战，但随着算法、架构和芯片设计技术的协同创新，特别是与可重构智能表面、人工智能赋能的波束管理等新概念结合，TMA有望在未来的6G及更先进的无线网络中扮演重要角色。对于我们工程师而言，理解其核心原理，清醒认识其优劣，并在具体项目中做出恰当的权衡，是驾驭这项技术的关键。