【導(dǎo)讀】相控陣?yán)走_(dá)和有源電子掃描陣列(AESA)已經(jīng)在航空航天和國防市場中使用和部署了十多年。這一時期主要從模擬波束成形系統(tǒng)開始,并不斷遷移到更高水平的數(shù)字波束成形。系統(tǒng)工程目標(biāo)不斷需要接近元素的數(shù)字波束成形實現(xiàn),以實現(xiàn)的靈活性和可編程性。
相控陣?yán)走_(dá)和有源電子掃描陣列(AESA)已經(jīng)在航空航天和國防市場中使用和部署了十多年。這一時期主要從模擬波束成形系統(tǒng)開始,并不斷遷移到更高水平的數(shù)字波束成形。系統(tǒng)工程目標(biāo)不斷需要接近元素的數(shù)字波束成形實現(xiàn),以實現(xiàn)的靈活性和可編程性。
遷移到近元素數(shù)字波束成形存在許多挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)范圍包括校準(zhǔn)、數(shù)字控制、時鐘分配、LO、電源、處理數(shù)據(jù)量以及電子設(shè)備的物理尺寸限制。無線行業(yè)RF IC的大量進(jìn)步繼續(xù)使RF設(shè)計具有更高集成度的能力,現(xiàn)在每個元件數(shù)字波束成形陣列的實際實現(xiàn)正在成為現(xiàn)實。
在本文中,我們將重點介紹電子產(chǎn)品的物理尺寸要求。討論了物理尺寸要求與工作頻率的關(guān)系,并回顧了實際的實現(xiàn)方法。
天線元件間距與頻率的關(guān)系
首先,將天線元件間距視為頻率的函數(shù)。為了避免光柵瓣,需要λ/2或更小的元件間距,其中λ是工作頻率波長。
極化多樣性也正在成為理想的系統(tǒng)目標(biāo)。此功能提供了對各種天線極化進(jìn)行編程的能力,包括水平、垂直或左右手圓極化。實現(xiàn)此功能的天線元件實現(xiàn)是具有兩個端口的輻射元件,其中每個端口都以正交極化輻射。通過控制每個端口的相對相位和幅度,可以產(chǎn)生不同的極化。雖然對系統(tǒng)來說是一個顯著的好處,但不幸的是,此功能使所需的天線端口數(shù)量增加了一倍,并使支持電子設(shè)備復(fù)雜化。
圖1顯示了元件間距與頻率的關(guān)系,假設(shè)有一個λ/2天線元件間距實現(xiàn)。通過概述這些物理尺寸限制,可以評估天線后面的RF子系統(tǒng),以評估滿足電子通道間隔與頻率所需的實現(xiàn)。
圖1.元素間距與頻率的關(guān)系。
頻率元素間距雙極 I/O 間距
3千兆赫50毫米,2英寸25毫米,1英寸
10千兆赫15 毫米,600 密耳7.5毫米,300密耳
30千兆赫5 毫米,200 密耳2.5毫米,100密耳
波形發(fā)生器和接收器通道間距
圖2顯示了ADI收發(fā)器產(chǎn)品之一的評估板。該板包含兩個收發(fā)器。每個收發(fā)器包含兩個發(fā)射和接收通道(見圖3),因此實現(xiàn)了四個完整的波形發(fā)生器和接收器。該板還包括一個時鐘 IC 和幾個用于評估器件的其他 I/O 功能。
圖2.收發(fā)器通道間距。
圖3.收發(fā)器產(chǎn)品線包括雙波形發(fā)生器和接收器。
雖然該板不是為了盡可能高的集成度,但該板提供了對波形發(fā)生器和接收器部分的實際尺寸限制的深入了解。從電路板上可以很快看出,收發(fā)器產(chǎn)品線支持每個元件的數(shù)字天線間距到C波段,并且通過一些額外的努力,可以實現(xiàn)X波段元件間距。
接下來,配接RF上/下變頻器的物理尺寸如圖4所示。該特定板旨在用作雙收發(fā)器板的測試板配套,并再次可用于考慮該RF子系統(tǒng)的實際物理尺寸限制。該板采用標(biāo)準(zhǔn)的低成本方法,使用所有市售部件。同樣,這表明這種類型的實現(xiàn)支持每個元件數(shù)字天線,可達(dá)C波段。如果遷移到X波段,每個數(shù)字元件都可以實現(xiàn),從而能夠與SiP(系統(tǒng)級封裝)集成進(jìn)一步集成。
這兩塊電路板概述了低成本商業(yè)實現(xiàn)支持頻率高達(dá)C波段的數(shù)字波束成形相控陣中的每個元件。X波段及以上的每個元件實現(xiàn)可以通過進(jìn)一步集成來實現(xiàn),或者作為替代波束成形IC可用于減少波形發(fā)生器和接收器通道的數(shù)量相對于元件的數(shù)量。4:1 X/Ku波段波束成形器現(xiàn)已商業(yè)化,是這些頻率下低成本數(shù)字波束成形相控陣的實用方法。
Ka波段元素間距
接下來,考慮Ka波段天線元件間距,如圖5所示。在 30 GHz 時,λ/2 間距為 5 mm,如圖所示,這對電子設(shè)備來說是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。然而,在與天線元件正對的這個間距內(nèi)實現(xiàn)4:1模擬波束成形器是可行的。挑戰(zhàn)在于物理尺寸限制幾乎沒有機會使用其他組件。這就需要在波束成形封裝中包含LNA或PA,并將去耦電容等無源元件埋在PWB內(nèi)。
Ka波段衛(wèi)星系統(tǒng)的一個幸運的設(shè)計優(yōu)勢是,大多數(shù)系統(tǒng)將發(fā)射和接收功能分離到單獨的天線中。這為設(shè)計僅發(fā)射或僅接收針對特定任務(wù)優(yōu)化的波束成形IC提供了機會。
總結(jié)
無線行業(yè)RF IC的持續(xù)發(fā)展已成為數(shù)字波束成形相控陣技術(shù)普及的推動因素?,F(xiàn)在,使用標(biāo)準(zhǔn)PWB技術(shù)設(shè)計每個元件的數(shù)字波束成形相控陣對于高達(dá)C波段的頻率是可行的。在更高頻率的X波段,每個元素的數(shù)字實現(xiàn)都是可行的,但可能需要額外的設(shè)計工作來進(jìn)一步集成。或者,可以使用4:1模擬波束成形器,為電子設(shè)備提供額外的空間,并再次允許使用標(biāo)準(zhǔn)的PWB實現(xiàn)方法。在Ka波段物理尺寸約束下,這可能變得具有挑戰(zhàn)性。然而,通過將前端電子元件集成到波束成形器封裝中,現(xiàn)在可以實現(xiàn)子陣列天線架構(gòu)或全模擬波束成形系統(tǒng)。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用控制算法的快速原型設(shè)計和部署
開關(guān)電源環(huán)路穩(wěn)定性分析(六)