相控陣波束成形IC簡化天線設(shè)計

摘要

為提高性能，無線通信和雷達系統(tǒng)對天線架構(gòu)的需求不斷增長。只有那些功耗低于傳統(tǒng)機械操縱碟形天線的天線才能實現(xiàn)許多新的應(yīng)用。除了這些要求以外，還需要針對新的威脅或新的用戶快速重新定位，傳輸多個數(shù)據(jù)流，并以超低的成本，延長工作壽命。有些應(yīng)用需要抵消輸入阻塞信號的作用，降低攔截概率。正在席卷整個行業(yè)的相控天線設(shè)計為這些挑戰(zhàn)提供了解決辦法。人們開始采用先進的半導(dǎo)體技術(shù)解決相控陣天線過去存在的缺點，以最終減小這些解決方案的尺寸、重量和功率。本文將簡要介紹現(xiàn)有的天線解決方案以及電控天線的優(yōu)勢所在。在此基礎(chǔ)上，本文將介紹半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展如何幫助實現(xiàn)改進電控天線SWaP-C這一目標，然后舉例說明ADI技術(shù)如何做到這一點。

簡介

依靠天線發(fā)送和接收信號的無線電子系統(tǒng)已經(jīng)運行了100多年。隨著精度、效率和更高級指標變得越來越重要，這些電子系統(tǒng)將繼續(xù)改進和完善。在過去幾年中，碟形天線已被廣泛用于發(fā)射(Tx)和接收(Rx)信號，其中方向性至關(guān)重要，并且經(jīng)過多年的優(yōu)化，許多這些系統(tǒng)都能以相對低的成本良好地運行。這些碟形天線擁有一個用于旋轉(zhuǎn)輻射方向的機械臂，它們的確存在一些缺點，包括轉(zhuǎn)向慢、物理尺寸大、長期可靠性差并且只有一個符合要求的輻射圖或數(shù)據(jù)流。因此，工程師們已轉(zhuǎn)向先進的相控陣天線技術(shù)來改進這些特性、添加新功能。相控陣天線采用電動轉(zhuǎn)向機制，相比傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向天線具有諸多優(yōu)點，例如高度低/體積小、更好的長期可靠性、快速轉(zhuǎn)向、多波束等。憑借這些優(yōu)勢，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，天線負責破壞性地干擾無用方向上的信號，形成無效信號和旁瓣。天線陣列設(shè)計用于最大化主瓣輻射的能量，同時將旁瓣輻射的能量降低到可接受的水平?？梢酝ㄟ^改變饋入每個天線元件的信號的相位來操縱輻射方向。圖1展示了如何通過調(diào)整每個天線中信號的相位，將有效波束控制在線性陣列的目標方向上。結(jié)果，陣列中的每個天線都具有獨立的相位和幅度設(shè)置，以形成期望的輻射圖。由于沒有機械運動部件，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以吸收干擾物的信號，使該物體看起來不可見，隱形飛機即是如此。重新定位輻射圖或改變?yōu)橛行Я泓c，這些變化幾乎可以立即完成，因為我們可以使用基于IC的器件而非機械部件，以電氣方式改變相位設(shè)置。相控陣天線相比機械天線的另一個優(yōu)勢是它能同時輻射多個波束，因而可以跟蹤多個目標或管理多個數(shù)據(jù)流的用戶數(shù)據(jù)。這是通過在基帶頻率下對多個數(shù)據(jù)流進行數(shù)字信號處理來實現(xiàn)的。

圖1.相控陣元件基礎(chǔ)理論圖

該陣列的典型實現(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，意味著總共有16個元件。圖2所示為一個小型4×4陣列，其中，貼片天線為輻射器。在地面雷達系統(tǒng)中，這種天線陣列可以變得非常大，可能有超過100,000個元件。

圖2.4×4元件列陣的輻射圖展示

在設(shè)計時要考慮陣列大小與每個輻射元件的功率之間的權(quán)衡關(guān)系，這些元件會影響波束的方向性和有效輻射功率?？梢酝ㄟ^考察一些常見的品質(zhì)因數(shù)來預(yù)測天線的性能。通常，天線設(shè)計人員會考察天線增益、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)致地面雷達應(yīng)用中常見的大型陣列。

其中

N=元件數(shù)量

Ge=元件增益

Gt=線增益

Pt=發(fā)射機總功率

Pe=每個元件的功率

Tn=噪聲溫度

相控陣天線設(shè)計的另一個關(guān)鍵方面是天線元件的間隔。一旦我們通過設(shè)定元件數(shù)量確定了系統(tǒng)目標，物理陣列直徑很大程度上取決于每個單元構(gòu)件的大小限制，其要小于大約二分之一波長，因為這樣可以防止柵瓣。柵瓣相當于在無用方向上輻射的能量。這對進入陣列的電子器件提出了嚴格的要求，必須做到體積小、功率低、重量輕。半波長間隔在較高頻率下對設(shè)計特別具有挑戰(zhàn)性，因為其中每個單元構(gòu)件的長度會變小。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，并且使困難不斷增加的散熱管理技術(shù)得到了簡化。

我們構(gòu)建整個天線時，陣列設(shè)計面臨許多挑戰(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。在過去的20年中，這種方法不斷改進，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)計從這種板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向平板式方法，其中，每個IC都有足夠高的集成度，可以簡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)用或機載應(yīng)用當中。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。這只是天線的一個子集，其中，天線一端可能發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換級;同時也是一個分配網(wǎng)絡(luò)，負責從單個RF輸入開始路由到整個陣列。顯然，集成度更高的IC顯著減少了天線設(shè)計中的挑戰(zhàn)，并且隨著天線變得越來越小，越來越多的電子元件被集成到越來越小的空間中，天線設(shè)計需要新的半導(dǎo)體技術(shù)來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

過去幾年設(shè)計的大多數(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頻率下進行的，并且整個天線都采用一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。人們越來越關(guān)注數(shù)字波束成形，其中，每個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)用中都具有極強的吸引力，并且對其普及化也起著推動作用。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的不斷改進降低了功耗并且擴展到了更高的頻率，L波段和S波段的RF采樣使這項技術(shù)可以用于雷達系統(tǒng)。在考慮模擬與數(shù)字波束成形兩個選項時，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。數(shù)字波束成形方法因每個元件搭配一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，所以其功耗通常較高，但是在形成多個波束方面，卻極其靈活、便利。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器還需要更高的動態(tài)范圍，因為拒絕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波束，但每個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，對于可以利用無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來驅(qū)動分配網(wǎng)絡(luò)，則功耗也將增加。常見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，隨后是子陣列信號的一些數(shù)字組合。這是業(yè)內(nèi)日益熱門的一個領(lǐng)域，并將在未來幾年繼續(xù)發(fā)展壯大。

半導(dǎo)體技術(shù)

標準脈沖雷達系統(tǒng)發(fā)射可以從物體上反射的信號，雷達等待返回脈沖以映射天線的視場。在過去幾年中，這種天線前端解決方案會采用分立式元件，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。它們包括一個用于調(diào)整每個天線元件相位(最終控制天線)的移相器、一個可以使波束逐漸變細的衰減器、一個用于傳輸信號的功率放大器和一個用于接收信號的低噪聲放大器，另有一個用于在發(fā)射與接收之間切換的開關(guān)。在過去的實施方案中，這些IC中的每一個都可能放在5mm×5mm的封裝中，更先進的解決方案則可能用集成式單片單通道GaAs IC來實現(xiàn)該功能。

圖4.相控陣天線的典型RF前端示例

相控陣天線近年來的普及離不開半導(dǎo)體技術(shù)的推動。SiGe BiCMOS、SOI(絕緣體上硅)和體CMOS中的高級節(jié)點將用于控制陣列中轉(zhuǎn)向的組合數(shù)字電路以及用于實現(xiàn)相位和幅度調(diào)整的RF信號路徑集成到單個IC當中。如今，我們已經(jīng)可以實現(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個通道，可用于毫米波設(shè)計。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。在機載應(yīng)用中，我們看到了平板架構(gòu)日益盛行的趨勢，因為其同時具有GaN技術(shù)的功率附加效率(PAE)優(yōu)勢。GaN還使大型地基雷達能夠從由TWT驅(qū)動的碟形天線轉(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100瓦的功率，PAE超過50%。將這種PAE水平與雷達應(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6W至8W GaAs功率放大器與基于GaN的解決方案進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，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公司開發(fā)了集成模擬波束成形IC，其可以支持雷達、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8GHz至16GHz，工作于時分雙工(TDD)模式，其發(fā)射器和接收器集成在一個IC當中。該器件是X波段雷達應(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行。這款4通道IC采用7mm×7mm QFN表貼封裝，可輕松集成到平板陣列當中，在發(fā)射模式下功耗僅為240mW/通道，在接收模式下功耗僅為160mW/通道。收發(fā)器和接收器通道直接可用，在外部設(shè)計上可以與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，可以實現(xiàn)小于2.8°的相位步長和優(yōu)于31dB的增益控制。ADAR1000集成片上存儲器，可存儲多達121個波束狀態(tài)，其中一個狀態(tài)包含整個IC的所有相位和增益設(shè)置。發(fā)射器提供大約19dB的增益和15dBm的飽和功率，其中接收增益約為14dB。另一個關(guān)鍵指標是增益控制的相位變化，其在20dB范圍內(nèi)約為3°。同樣，在整個360°相位覆蓋范圍內(nèi)，相位控制的增益變化約為0.25dB，緩解了校準難題。

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

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。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功能組合起來并對IC進行適當優(yōu)化，從而輕松地為客戶實現(xiàn)天線設(shè)計。

圖6.訪問analog.com/phasedarray，了解有關(guān)ADI相控陣產(chǎn)品的更多信息