相控陣波束成形IC簡(jiǎn)化天線設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2019-07-12 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】為提高性能,無(wú)線通信和雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)天線架構(gòu)的需求不斷增長(zhǎng)。只有那些功耗低于傳統(tǒng)機(jī)械操縱碟形天線的天線才能實(shí)現(xiàn)許多新的應(yīng)用。除了這些要求以外,還需要針對(duì)新的威脅或新的用戶(hù)快速重新定位,傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流,并以超低的成本,延長(zhǎng)工作壽命。有些應(yīng)用需要抵消輸入阻塞信號(hào)的作用,降低攔截概率。正在席卷整個(gè)行業(yè)的相控天線設(shè)計(jì)為這些挑戰(zhàn)提供了解決辦法。
摘要
為提高性能,無(wú)線通信和雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)天線架構(gòu)的需求不斷增長(zhǎng)。只有那些功耗低于傳統(tǒng)機(jī)械操縱碟形天線的天線才能實(shí)現(xiàn)許多新的應(yīng)用。除了這些要求以外,還需要針對(duì)新的威脅或新的用戶(hù)快速重新定位,傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流,并以超低的成本,延長(zhǎng)工作壽命。有些應(yīng)用需要抵消輸入阻塞信號(hào)的作用,降低攔截概率。正在席卷整個(gè)行業(yè)的相控天線設(shè)計(jì)為這些挑戰(zhàn)提供了解決辦法。人們開(kāi)始采用先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)解決相控陣天線過(guò)去存在的缺點(diǎn),以最終減小這些解決方案的尺寸、重量和功率。本文將簡(jiǎn)要介紹現(xiàn)有的天線解決方案以及電控天線的優(yōu)勢(shì)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(shí)現(xiàn)改進(jìn)電控天線SWaP-C這一目標(biāo),然后舉例說(shuō)明ADI技術(shù)如何做到這一點(diǎn)。
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(chē)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(chēng)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??梢酝ㄟ^(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?;贗C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(hù)快速做出響應(yīng)。類(lèi)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)槲覀兛梢允褂没贗C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(hù)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??梢酝ㄟ^(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(lèi)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(mén)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(zhuān)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(hù)實(shí)現(xiàn)天線設(shè)計(jì)。
圖6.ADI相控陣產(chǎn)品
(來(lái)源:亞德諾半導(dǎo)體,作者:Keith Benson)
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