集成化芯片在相控陣beam-forming中的應(yīng)用

現(xiàn)代通信領(lǐng)域中，beam-forming技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用。在5G通信、相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信等方面也越來越受到工程師們的重視。

波束成形(beamforming or spatial filtering)是傳感器陣列中用于定向信號傳輸或接收的信號處理技術(shù)。這是通過將天線陣列中的元件以特定角度的信號經(jīng)歷相長干涉而其他經(jīng)歷相消干涉來實現(xiàn)的。波束成形在發(fā)送端和接收端都可以使用，以實現(xiàn)空間選擇性。工程師利用波束成形技術(shù)已經(jīng)有相當(dāng)久的歷史，比如使用波束來補償信道衰減的衛(wèi)星通訊。衛(wèi)星和地面接收天線的距離非常遠(yuǎn)，信道衰減非常大，于是衛(wèi)星信號到達(dá)地面時能量已經(jīng)非常小，甚至比熱噪聲還要低。因此，我們需要想方設(shè)法提高接收衛(wèi)星信號能量。當(dāng)衛(wèi)星的信號向空間全方向輻射時，絕大多數(shù)能量并沒有被地面天線接收到，而是被浪費了。為避免這種浪費，我們在接收和發(fā)射衛(wèi)星信號時都會使用波束成形。這樣，發(fā)射的電磁波信號都集中在一個方向上，只要接收天線能對準(zhǔn)這個方向，就可以大大提高接收的衛(wèi)星信號能量。

相控陣天線的beamforming技術(shù)(如圖1描述)，我們可以線性或二維地對N個天線陣列進(jìn)行波束賦形配置，并以電子的方式，智能地控制陣列中每個單獨天線的幅度和相位激勵，以產(chǎn)生指向所需方向的波束。在物理結(jié)構(gòu)固定不變的情況下，相控陣天線能夠快速無慣性的進(jìn)行波束成形和波束掃描。

圖1

針對衛(wèi)星通信領(lǐng)域的相控陣系統(tǒng)，技術(shù)型授權(quán)分銷商Excelpoint世健公司的工程師Rain Cai向我們介紹了一款世健代理的ADI公司的相控陣beam-forming集成化芯片，可以為廣大衛(wèi)星通信客戶提供新一代的系統(tǒng)化解決方案(如圖2)。該系統(tǒng)方案包含天線前端的多通道幅相控制集成套片ADAR1000、上線變頻混頻器LTC5548/LTC5549、本振PLLVCO集成芯片ADF5356/ADF5610、低頻2T/2R收發(fā)集成套片ADRV9009。相比傳統(tǒng)的超外差方式，節(jié)省數(shù)十顆芯片就能完成對整個收發(fā)系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計，大大縮小了整個通信系統(tǒng)的體積和功耗。

圖2

下面，Rain重點介紹相控陣前端的有源天線幅相控制方案ADAR1000。ADAR1000是一款適用于相控陣的4通道X和Ku頻段波束形成芯片。該器件在接收和發(fā)射模式之間以半雙工狀態(tài)工作。在接收模式下，輸入信號通過四個接收通道后在公共RF_IO引腳上組合在一起。在發(fā)射模式下，RF_IO輸入信號拆分后通過四個發(fā)射通道。在這兩種模式下，ADAR1000在射頻(RF)路徑中都提供≥31dB的增益調(diào)整范圍和完整360°相位調(diào)整范圍，分辨率優(yōu)于6位(分別低于≤0.5dB和2.8°)。并且支持存儲最多126個波束的各通道增益相位信息，支持相控陣?yán)走_(dá)和通信系統(tǒng)的設(shè)計人員利用電調(diào)掃描的方式來取代原來龐大的機械轉(zhuǎn)向天線平臺。ADAR1000每一路通道都集成有低噪放(或功率放大器)、移相器、可變增益放大器。4通道ADAR1000有源天線波束成形芯片可取代天線相位增益調(diào)節(jié)和數(shù)字控制所需的12個分立元件，顯著的簡化了監(jiān)控、衛(wèi)星通信所用的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)尺寸、重量及功耗。尤其是使用ADAR1000在平面陣列中，使得裝配于不同平臺的平面陣?yán)走_(dá)具有極強的競爭力。

ADAR1000原理框圖如下圖3所示。除核心的4T/4R幅度相控控制以外，ADAR1000集成套片還包含溫度檢測、功率檢測功能，并且為可能需要外掛的大功率功放管以及LNA提供bias供電電壓，這將進(jìn)一步減少工程師在PCB設(shè)計時的電源控制難度以及PCB尺寸。

圖3

最后，Rain介紹了一個具體案例：世健公司的某最終用戶希望減小30%相控陣天線總體重量，針對這一需求，世健向其推薦了ADAR1000集成芯片，成功解決了設(shè)計難題。使用4通道的ADAR1000替換掉原有的分立元器件方案，將系統(tǒng)尺寸和重量減小30%以上。使得整套衛(wèi)星系統(tǒng)能夠更為便捷的搭載船舶、飛機等大型交通運輸工具。下圖(4)為該客戶實測ADAR1000的VSWR、phase error、Gain隨頻率變化曲線：

圖4

從測試結(jié)果可以看出，盡管ADAR1000在7X7mm的封裝尺寸內(nèi)對以前的12顆分立元件進(jìn)行集成和替代，但性能并沒有隨著高集成度而降低?？蛻魧φw性能和成本都非常滿意。并提出未來8通道、16通道的集成化芯片預(yù)期。

ADAR1000在相控陣天線前端的beam-forming設(shè)計中有著非常卓越的性能，使得這一類型的集成化套片在大型相控陣?yán)走_(dá)以及衛(wèi)星通信應(yīng)用中成為主流方案。為此，可以預(yù)見到，在不久的未來，更多通道、更高頻率以及帶寬的多功能集成套片將會推向市場，多個單元的天線陣列尺寸、功耗將進(jìn)一步減小。