相控陣波束成形IC簡(jiǎn)化天線設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)介

依靠天線發(fā)送和接收信號(hào)的無(wú)線電子系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行了100多年。隨著精度、效率和更高級(jí)指標(biāo)變得越來(lái)越重要，這些電子系統(tǒng)將繼續(xù)改進(jìn)和完善。在過(guò)去幾年中，碟形天線已被廣泛用于發(fā)射(Tx)和接收(Rx)信號(hào)，其中方向性至關(guān)重要，并且經(jīng)過(guò)多年的優(yōu)化，許多這些系統(tǒng)都能以相對(duì)低的成本良好地運(yùn)行。這些碟形天線擁有一個(gè)用于旋轉(zhuǎn)輻射方向的機(jī)械臂，它們的確存在一些缺點(diǎn)，包括轉(zhuǎn)向慢、物理尺寸大、長(zhǎng)期可靠性差并且只有一個(gè)符合要求的輻射圖或數(shù)據(jù)流。因此，工程師們已轉(zhuǎn)向先進(jìn)的相控陣天線技術(shù)來(lái)改進(jìn)這些特性、添加新功能。相控陣天線采用電動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)制，相比傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向天線具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如高度低/體積小、更好的長(zhǎng)期可靠性、快速轉(zhuǎn)向、多波束等。憑借這些優(yōu)勢(shì)，相控陣已經(jīng)被軍事應(yīng)用、衛(wèi)星通信和包括車聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的5G電信等應(yīng)用中得到廣泛運(yùn)用。

相控陣技術(shù)

相控陣天線是組裝在一起的天線元件的集合，其中，每個(gè)元件的輻射圖均在結(jié)構(gòu)上與相鄰天線的輻射圖組合形成稱為主瓣的有效輻射圖。主瓣在期望位置發(fā)射輻射能量，而根據(jù)設(shè)計(jì)，天線負(fù)責(zé)破壞性地干擾無(wú)用方向上的信號(hào)，形成無(wú)效信號(hào)和旁瓣。天線陣列設(shè)計(jì)用于最大化主瓣輻射的能量，同時(shí)將旁瓣輻射的能量降低到可接受的水平。可以通過(guò)改變饋入每個(gè)天線元件的信號(hào)的相位來(lái)操縱輻射方向。圖1展示了如何通過(guò)調(diào)整每個(gè)天線中信號(hào)的相位，將有效波束控制在線性陣列的目標(biāo)方向上。結(jié)果，陣列中的每個(gè)天線都具有獨(dú)立的相位和幅度設(shè)置，以形成期望的輻射圖。由于沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，所以很容易理解相控陣中波束快速轉(zhuǎn)向的屬性。基于IC的半導(dǎo)體相位調(diào)整可以在幾納秒內(nèi)完成，這樣我們就可以改變輻射圖的方向，針對(duì)新的威脅或用戶快速做出響應(yīng)。類似地，我們可以從輻射波束變?yōu)橛行Я泓c(diǎn)以吸收干擾物的信號(hào)，使該物體看起來(lái)不可見(jiàn)，隱形飛機(jī)即是如此。重新定位輻射圖或改變?yōu)橛行Я泓c(diǎn)，這些變化幾乎可以立即完成，因?yàn)槲覀兛梢允褂没?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/IC">IC的器件而非機(jī)械部件，以電氣方式改變相位設(shè)置。相控陣天線相比機(jī)械天線的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它能同時(shí)輻射多個(gè)波束，因而可以跟蹤多個(gè)目標(biāo)或管理多個(gè)數(shù)據(jù)流的用戶數(shù)據(jù)。這是通過(guò)在基帶頻率下對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖1.相控陣元件基礎(chǔ)理論圖。

該陣列的典型實(shí)現(xiàn)方式使用以等間隔行列配置的貼片天線元件，其采用4×4式設(shè)計(jì)，意味著總共有16個(gè)元件。圖2所示為一個(gè)小型4×4陣列，其中，貼片天線為輻射器。在地面雷達(dá)系統(tǒng)中，這種天線陣列可以變得非常大，可能有超過(guò)100,000個(gè)元件。

圖2.4×4元件列陣的輻射圖展示。

在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮陣列大小與每個(gè)輻射元件的功率之間的權(quán)衡關(guān)系，這些元件會(huì)影響波束的方向性和有效輻射功率。可以通過(guò)考察一些常見(jiàn)的品質(zhì)因數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)天線的性能。通常，天線設(shè)計(jì)人員會(huì)考察天線增益、有效各向輻射功率(EIRP)及Gt/Tn。有一些基礎(chǔ)等式可用于描述以下等式中所示的這些參數(shù)。我們可以看到，天線增益和EIRP與陣列中元件的數(shù)量成正比。這可能導(dǎo)致地面雷達(dá)應(yīng)用中常見(jiàn)的大型陣列。

其中

N = 元件數(shù)量

Ge =元件增益

Gt = 線增益

Pt = 發(fā)射機(jī)總功率

Pe = 每個(gè)元件的功率

Tn = 噪聲溫度

相控陣天線設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵方面是天線元件的間隔。一旦我們通過(guò)設(shè)定元件數(shù)量確定了系統(tǒng)目標(biāo)，物理陣列直徑很大程度上取決于每個(gè)單元構(gòu)件的大小限制，其要小于大約二分之一波長(zhǎng)，因?yàn)檫@樣可以防止柵瓣。柵瓣相當(dāng)于在無(wú)用方向上輻射的能量。這對(duì)進(jìn)入陣列的電子器件提出了嚴(yán)格的要求，必須做到體積小、功率低、重量輕。半波長(zhǎng)間隔在較高頻率下對(duì)設(shè)計(jì)特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槠渲忻總€(gè)單元構(gòu)件的長(zhǎng)度會(huì)變小。這推高了更高頻率IC的集成度，促使封裝解決方案變得更加先進(jìn)，并且使困難不斷增加的散熱管理技術(shù)得到了簡(jiǎn)化。

我們構(gòu)建整個(gè)天線時(shí)，陣列設(shè)計(jì)面臨許多挑戰(zhàn)，包括控制線路由、電源管理、脈沖電路、散熱管理、環(huán)境考慮因素等。業(yè)界有一股龐大的推動(dòng)力量，促使我們走向體積小、重量輕的低剖面陣列。傳統(tǒng)的電路板結(jié)構(gòu)使用小型PCB板，其上的電子元件垂直饋入天線PCB的背面。在過(guò)去的20年中，這種方法不斷改進(jìn)，以持續(xù)減小電路板的尺寸，從而減小天線的深度。下一代設(shè)計(jì)從這種板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向平板式方法，其中，每個(gè)IC都有足夠高的集成度，可以簡(jiǎn)單地安裝在天線板的背面，大大減小了天線的深度，使它們能更容易地裝入便攜應(yīng)用或機(jī)載應(yīng)用當(dāng)中。在圖3中，左圖展示了PCB頂部的金色貼片天線元件，右圖顯示了PCB底部的天線模擬前端。這只是天線的一個(gè)子集，其中，天線一端可能發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換級(jí)；同時(shí)也是一個(gè)分配網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)從單個(gè)RF輸入開(kāi)始路由到整個(gè)陣列。顯然，集成度更高的IC顯著減少了天線設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)，并且隨著天線變得越來(lái)越小，越來(lái)越多的電子元件被集成到越來(lái)越小的空間中，天線設(shè)計(jì)需要新的半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)幫助提高解決方案的可行性。

圖3.平板陣列，圖中所示為PCB頂部的天線貼片，IC則位于天線PCB的背面。

數(shù)字波束合成與模擬波束合成

過(guò)去幾年設(shè)計(jì)的大多數(shù)相控陣天線都使用了模擬波束成形技術(shù)，其中的相位調(diào)整是在RF或IF頻率下進(jìn)行的，并且整個(gè)天線都采用一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。人們?cè)絹?lái)越關(guān)注數(shù)字波束成形，其中，每個(gè)天線元件都有一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，并且相位調(diào)整是在FPGA或某些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中以數(shù)字方式完成的。數(shù)字波束成形有許多好處，從輕松傳輸多條波束的能力，甚至還能即刻改變波束的數(shù)量。這種卓越的靈活性在許多應(yīng)用中都具有極強(qiáng)的吸引力，并且對(duì)其普及化也起著推動(dòng)作用。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的不斷改進(jìn)降低了功耗并且擴(kuò)展到了更高的頻率，L波段和S波段的RF采樣使這項(xiàng)技術(shù)可以用于雷達(dá)系統(tǒng)。在考慮模擬與數(shù)字波束成形兩個(gè)選項(xiàng)時(shí)，需要考慮多種因素，但分析通常取決于所需波束數(shù)量、功耗和成本目標(biāo)。數(shù)字波束成形方法因每個(gè)元件搭配一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，所以其功耗通常較高，但是在形成多個(gè)波束方面，卻極其靈活、便利。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器還需要更高的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)榫芙^阻塞的波束成形只能在數(shù)字化之后完成。模擬波束成形可以支持多個(gè)波束，但每個(gè)波束需要額外的相位調(diào)整通道。例如，為了形成100波束的系統(tǒng)，需要將1波束系統(tǒng)的RF移相器的數(shù)量乘以100，因此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與相位調(diào)整IC的成本考慮因素可能根據(jù)波束的數(shù)量而改變。類似地，對(duì)于可以利用無(wú)源移相器的模擬波束成形方法，其功耗通常較低，但隨著波束數(shù)量的增加，如果需要額外的增益級(jí)來(lái)驅(qū)動(dòng)分配網(wǎng)絡(luò)，則功耗也將增加。常見(jiàn)的折衷方案是混合式波束成形方法，其中有模擬波束成形子陣列，隨后是子陣列信號(hào)的一些數(shù)字組合。這是業(yè)內(nèi)日益熱門的一個(gè)領(lǐng)域，并將在未來(lái)幾年繼續(xù)發(fā)展壯大。

半導(dǎo)體技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)脈沖雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射可以從物體上反射的信號(hào)，雷達(dá)等待返回脈沖以映射天線的視場(chǎng)。在過(guò)去幾年中，這種天線前端解決方案會(huì)采用分立式元件，此類元件很可能采用砷化鎵技術(shù)。用作這些相控陣天線構(gòu)建模塊的IC元件如圖4所示。它們包括一個(gè)用于調(diào)整每個(gè)天線元件相位（最終控制天線）的移相器、一個(gè)可以使波束逐漸變細(xì)的衰減器、一個(gè)用于傳輸信號(hào)的功率放大器和一個(gè)用于接收信號(hào)的低噪聲放大器，另有一個(gè)用于在發(fā)射與接收之間切換的開(kāi)關(guān)。在過(guò)去的實(shí)施方案中，這些IC中的每一個(gè)都可能放在5mm×5mm的封裝中，更先進(jìn)的解決方案則可能用集成式單片單通道GaAs IC來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能。

圖4.相控陣天線的典型RF前端示例。

相控陣天線近年來(lái)的普及離不開(kāi)半導(dǎo)體技術(shù)的推動(dòng)。SiGe BiCMOS、SOI（絕緣體上硅）和體CMOS中的高級(jí)節(jié)點(diǎn)將用于控制陣列中轉(zhuǎn)向的組合數(shù)字電路以及用于實(shí)現(xiàn)相位和幅度調(diào)整的RF信號(hào)路徑集成到單個(gè)IC當(dāng)中。如今，我們已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)多通道波束成形IC，此類IC可在4通道配置中調(diào)整增益和相位，最多可支持32個(gè)通道，可用于毫米波設(shè)計(jì)。在一些低功耗示例中，基于硅的IC有可能為上述所有功能提供單片解決方案。在高功率應(yīng)用中，基于氮化鎵的功率放大器顯著提高了功率密度，以適應(yīng)相控陣天線單元構(gòu)件的需求，傳統(tǒng)上這些天線基本上由基于行波管(TWT)的功率放大器或基于較低功率GaAs的功率放大器伺服。在機(jī)載應(yīng)用中，我們看到了平板架構(gòu)日益盛行的趨勢(shì)，因?yàn)槠渫瑫r(shí)具有GaN技術(shù)的功率附加效率(PAE)優(yōu)勢(shì)。GaN還使大型地基雷達(dá)能夠從由TWT驅(qū)動(dòng)的碟形天線轉(zhuǎn)向基于相控陣的天線技術(shù)。我們目前能使用單片GaN IC，這類IC能提供超過(guò)100瓦的功率，PAE超過(guò)50％。將這種PAE水平與雷達(dá)應(yīng)用的低占空比相結(jié)合，可以確定天線陣列的尺寸、重量和成本。在GaN的純功率能力以外，與現(xiàn)有GaAs IC解決方案相比的額外好處是尺寸減小了。將X波段的6 W至8 W GaAs功率放大器與基于GaN的解決方案進(jìn)行比較可將占位面積減少50％或以上。在將這些電子器件裝配到相控陣天線的單元構(gòu)件中時(shí)，這種占位面積的減小有著顯著的意義。

ADI公司的模擬相控陣IC

ADI公司開(kāi)發(fā)了集成模擬波束成形IC，其可以支持雷達(dá)、衛(wèi)星通信、5G通信等一系列應(yīng)用。ADAR1000  X-/Ku波段波束成形IC是一款4通道器件，覆蓋頻段為8 GHz至16 GHz，工作于時(shí)分雙工(TDD)模式，其發(fā)射器和接收器集成在一個(gè)IC當(dāng)中。該器件是X波段雷達(dá)應(yīng)用以及Ku波段衛(wèi)星通信的理想選擇，在這類應(yīng)用中，IC可以配置為僅以收發(fā)器模式或僅接收器模式運(yùn)行。這款4通道IC采用7 mm×7 mm QFN表貼封裝，可輕松集成到平板陣列當(dāng)中，在發(fā)射模式下功耗僅為240 mW/通道，在接收模式下功耗僅為160 mW/通道。收發(fā)器和接收器通道直接可用，在外部設(shè)計(jì)上可以與ADI公司提供的前端模塊(FEM)配合使用。圖5顯示了具有全360°相位覆蓋的增益和相位控制，可以實(shí)現(xiàn)小于2.8°的相位步長(zhǎng)和優(yōu)于31 dB的增益控制。ADAR1000集成片上存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)多達(dá)121個(gè)波束狀態(tài)，其中一個(gè)狀態(tài)包含整個(gè)IC的所有相位和增益設(shè)置。發(fā)射器提供大約19 dB的增益和15 dBm的飽和功率，其中接收增益約為14 dB。另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是增益控制的相位變化，其在20 dB范圍內(nèi)約為3°。同樣，在整個(gè)360°相位覆蓋范圍內(nèi)，相位控制的增益變化約為0.25 dB，緩解了校準(zhǔn)難題。

圖5.ADAR1000 Tx增益/回波損耗和相位/增益控制，頻率 = 11.5 GHz。

該波束成形IC專為模擬相控陣應(yīng)用或混合陣列架構(gòu)而開(kāi)發(fā)，混合陣列架構(gòu)將一些數(shù)字波束成形技術(shù)與模擬波束成形技術(shù)結(jié)合了起來(lái)。ADI公司提供從天線到位的完整解決方案，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、頻率轉(zhuǎn)換、模擬波束成形IC以及前端模塊。組合芯片組使ADI公司能夠?qū)⒍喾N功能組合起來(lái)并對(duì)IC進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，從而輕松地為客戶實(shí)現(xiàn)天線設(shè)計(jì)。

圖6.了解有關(guān)ADI相控陣產(chǎn)品的更多信息。

Keith Benson

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第51卷，第3期

Keith Benson [keith.benson@analog.com]于2002年畢業(yè)于馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，2004年畢業(yè)于加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校，獲電氣工程碩士學(xué)位。他之前就職于Hittite Microwave，主攻RF無(wú)線電子的IC設(shè)計(jì)。然后轉(zhuǎn)向IC設(shè)計(jì)工程師團(tuán)隊(duì)管理，主要負(fù)責(zé)無(wú)線通信鏈路。2014年，ADI公司收購(gòu)了Hittite Microwave，Keith成為ADI公司RF/微波放大器和相控陣IC的產(chǎn)品線總監(jiān)。Keith目前擁有3項(xiàng)新穎放大器技術(shù)方面的美國(guó)專利。