無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)正面臨著對(duì)天線架構(gòu)（例如相控陣）日益增長的要求，以提高性能。許多新應(yīng)用只能使用比傳統(tǒng)機(jī)械控制碟形天線更薄的天線，其功耗更低。除了這些要求之外，還希望快速重新定位新的威脅或用戶，傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，并以激進(jìn)的成本目標(biāo)在更長的生命周期內(nèi)運(yùn)行。在某些應(yīng)用中，需要將傳入的阻塞信號(hào)歸零，并且攔截概率較低。基于相控陣的天線設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)了這些挑戰(zhàn)，這些天線設(shè)計(jì)正在席卷整個(gè)行業(yè)。相控陣天線過去的缺點(diǎn)正在通過先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)來解決，以最終減小這些解決方案的尺寸、重量和功耗。本文將簡要介紹現(xiàn)有的天線解決方案以及電動(dòng)轉(zhuǎn)向天線的優(yōu)勢。然后，本文將介紹半導(dǎo)體進(jìn)步如何幫助實(shí)現(xiàn)改進(jìn)電控天線SWaP-C的目標(biāo)，然后介紹實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的ADI技術(shù)示例。

介紹

依靠天線發(fā)送和接收信號(hào)的無線電子系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行了 100 多年。隨著對(duì)準(zhǔn)確性、效率和更高級(jí)指標(biāo)的需求變得越來越重要，它們將繼續(xù)得到改進(jìn)。在過去幾年中，碟形天線已被廣泛用于發(fā)送（Tx）和接收（Rx）信號(hào)，其中方向性很重要，經(jīng)過多年的優(yōu)化，其中許多系統(tǒng)以相對(duì)較低的成本運(yùn)行良好。這些碟形天線具有機(jī)械臂來旋轉(zhuǎn)輻射方向確實(shí)有一些缺點(diǎn)，其中包括轉(zhuǎn)向速度慢，物理上很大，長期可靠性較差，并且只有一個(gè)所需的輻射圖或數(shù)據(jù)流。因此，工程師們紛紛采用先進(jìn)的相控陣天線技術(shù)來改進(jìn)這些功能并添加新功能。相控陣天線采用電控，與傳統(tǒng)的機(jī)械控控天線相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如薄型/體積小、長期可靠性提高、轉(zhuǎn)向速度快、多波束。憑借這些優(yōu)勢，該行業(yè)正在軍事應(yīng)用、衛(wèi)星通信（衛(wèi)星通信）和5G電信（包括聯(lián)網(wǎng)汽車）中得到采用。

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，使得每個(gè)單獨(dú)元件的輻射方向圖與相鄰天線建設(shè)性地結(jié)合，形成稱為主瓣的有效輻射方向圖。主瓣在所需位置傳輸輻射能量，而天線設(shè)計(jì)用于破壞性地干擾不需要方向的信號(hào)，形成零點(diǎn)和旁瓣。天線陣列旨在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。輻射方向可以通過改變饋入每個(gè)天線元件的信號(hào)相位來操縱。圖1顯示了調(diào)整每個(gè)天線中信號(hào)的相位如何使有效波束沿線性陣列的所需方向引導(dǎo)。結(jié)果是陣列中的每個(gè)天線都有一個(gè)獨(dú)立的相位和幅度設(shè)置，以形成所需的輻射方向圖。相控陣中光束快速轉(zhuǎn)向的屬性很容易理解，無需機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。基于半導(dǎo)體IC的相位調(diào)整可以在納秒內(nèi)完成，這樣我們就可以改變輻射方向圖的方向，以快速響應(yīng)新的威脅或用戶。同樣，可以從輻射束變?yōu)橛行Я泓c(diǎn)以吸收干擾源，使物體看起來不可見，例如在隱形飛機(jī)中。重新定位輻射方向圖或更改為有效零點(diǎn)的這些變化幾乎可以立即完成，因?yàn)槲覀兛梢允褂没贗C的器件而不是機(jī)械部件來電改變相位設(shè)置。相控陣天線相對(duì)于機(jī)械天線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠同時(shí)輻射多個(gè)波束，這可以跟蹤多個(gè)目標(biāo)或管理用戶數(shù)據(jù)的多個(gè)數(shù)據(jù)流。這是通過在基帶頻率下對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理來實(shí)現(xiàn)的。

圖1.相控陣單元基本理論示意圖。

該陣列的典型實(shí)現(xiàn)使用在等間距的行和列中配置的貼片天線元件，4 × 4 設(shè)計(jì)意味著總共 16 個(gè)元件。下圖 2 顯示了一個(gè)小型 4 × 4 陣列，其中貼片天線作為輻射器。這種天線陣列在地面雷達(dá)系統(tǒng)中可以變得相當(dāng)大，可以超過100，000個(gè)元件。

圖2.4 × 4 元素陣列的輻射圖示。

陣列的大小與影響光束方向性和有效輻射功率的每個(gè)輻射元件的功率需要考慮設(shè)計(jì)權(quán)衡。天線性能可以通過查看一些常見的品質(zhì)因數(shù)來預(yù)測。天線設(shè)計(jì)人員通常會(huì)考慮天線增益和有效各向同性輻射功率 （EIRP） 以及 Gt/Tn。有一些基本方程可用于描述以下方程中顯示的這些參數(shù)。我們可以看到，天線增益和 EIRP 與陣列中的元件數(shù)量成正比。這可能導(dǎo)致地面雷達(dá)應(yīng)用中出現(xiàn)大型陣列。

哪里

N = 元件數(shù)量 Ge = 元件增益 Gt = 天線增益

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距。一旦我們通過設(shè)置元件數(shù)量確定了系統(tǒng)目標(biāo)，物理陣列直徑在很大程度上取決于每個(gè)晶胞小于大約一半波長的限制，這防止了光柵瓣。光柵瓣相當(dāng)于向不需要的方向輻射的能量。這對(duì)進(jìn)入陣列的電子器件提出了嚴(yán)格的要求，包括體積小、功耗低、重量輕。半波長間距在更高頻率下創(chuàng)造了特別具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)，其中每個(gè)晶胞的長度變得更小。這推動(dòng)了更高頻率的IC越來越集成，封裝解決方案變得更加先進(jìn)，熱管理技術(shù)也越來越簡單，盡管它變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

當(dāng)我們構(gòu)建整個(gè)天線時(shí)，陣列設(shè)計(jì)存在許多挑戰(zhàn)，包括控制線的路由、電源管理、脈沖電路、熱管理、環(huán)境考慮等。業(yè)界正在大力推動(dòng)低調(diào)陣列，這些陣列消耗的體積和重量更少。傳統(tǒng)的木板架構(gòu)使用小型PCB木板，其上的電子設(shè)備垂直饋入天線PCB的背面。在過去的20年中，這種方法得到了改進(jìn)，以不斷減小木板的尺寸，從而減少天線的深度。下一代設(shè)計(jì)從這種板式架構(gòu)轉(zhuǎn)向平板方法，其中每個(gè)IC中都有足夠的集成度，可以簡單地將它們安裝在天線板的背面，從而顯著降低天線的深度，使其更容易安裝到便攜式或機(jī)載應(yīng)用中。在圖3中，左圖顯示了PCB頂部的金色貼片天線元件，右圖顯示了PCB底部天線的模擬前端。這只是天線的一個(gè)子集，例如，天線的一端可能存在變頻級(jí)，以及從單個(gè)RF輸入路由到整個(gè)陣列的分配網(wǎng)絡(luò)。很容易看出，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越小，更多的電子設(shè)備封裝在更小的尺寸中，天線設(shè)計(jì)需要新的半導(dǎo)體技術(shù)來幫助使解決方案可行。

圖3.一種平板陣列，顯示 PCB 頂部的天線貼片，而 IC 位于天線 PCB 的背面。

數(shù)字波束成形與模擬波束成形

過去幾年設(shè)計(jì)的大多數(shù)相控陣天線都使用模擬波束成形，其中相位調(diào)整是在RF或IF頻率下完成的，并且整個(gè)天線有一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。人們對(duì)數(shù)字波束成形越來越感興趣，其中每個(gè)天線元件有一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，相位調(diào)整在FPGA或某些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中以數(shù)字方式完成。數(shù)字波束成形有很多好處，首先是能夠輕松傳輸許多波束，甚至幾乎立即改變波束數(shù)量。這種卓越的靈活性在許多應(yīng)用中都很有吸引力，并正在推動(dòng)其采用。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的不斷改進(jìn)正在降低功耗并擴(kuò)展到更高的頻率，其中L波段和S波段的RF采樣使該技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中成為現(xiàn)實(shí)。在考慮模擬波束成形與數(shù)字波束成形時(shí)，需要考慮多種因素，但分析通常由所需的波束數(shù)量、功耗和成本目標(biāo)決定。數(shù)字波束成形方法通常具有更高的功耗，每個(gè)元件都有一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，但在輕松創(chuàng)建多個(gè)波束方面提供了很大的靈活性。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器還需要更高的動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)橐种谱枞盘?hào)的波束成形僅在數(shù)字化后完成。模擬波束成形可以支持多個(gè)波束，但每個(gè)波束需要一個(gè)額外的相位調(diào)整通道。例如，要?jiǎng)?chuàng)建100波束系統(tǒng)，需要將1波束系統(tǒng)的RF移相器數(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會(huì)根據(jù)波束數(shù)量而變化。同樣，對(duì)于可以利用無源移相器的模擬波束成形方法，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)來驅(qū)動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)，功耗也會(huì)增加。一種常見的折衷方案是混合波束成形方法，其中有模擬波束成形的子陣列，然后是子陣列信號(hào)的某種數(shù)字組合。這是該行業(yè)越來越感興趣的領(lǐng)域，并將在未來幾年繼續(xù)發(fā)展。

半導(dǎo)體技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)脈沖雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)可以在雷達(dá)等待返回脈沖以映射天線視場時(shí)反射物體。在過去幾年中，這種天線前端解決方案將具有分立組件，可能基于砷化鎵技術(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)天線元件相位的移相器（最終控制天線）、一個(gè)可以逐漸變細(xì)波束的衰減器、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，以及一個(gè)在發(fā)射和接收之間切換的開關(guān)。在過去的實(shí)現(xiàn)中，這些IC中的每一個(gè)都可以封裝在5 mm×5 mm封裝中，或者更先進(jìn)的解決方案可以集成單片單通道GaAs IC來實(shí)現(xiàn)此功能。

圖4.相控陣天線的典型RF前端示例。

最近相控陣天線的普及得益于半導(dǎo)體技術(shù)。SiGe BiCMOS、SOI（絕緣體上硅）和大容量CMOS中的高級(jí)節(jié)點(diǎn)結(jié)合了數(shù)字電路來控制陣列中的轉(zhuǎn)向，以及實(shí)現(xiàn)相位和幅度調(diào)整的RF信號(hào)路徑到單個(gè)IC中。如今，可以實(shí)現(xiàn)多通道波束成形IC，該IC在4通道配置中調(diào)節(jié)增益和相位，多達(dá)32個(gè)通道，適用于毫米波設(shè)計(jì)。在一些低功耗示例中，硅基IC可以是上述所有功能的單片解決方案。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)相控陣天線的單元，傳統(tǒng)上由基于行波管（TWT）的PA或相對(duì)低功耗的基于GaAs的PA提供服務(wù)。在機(jī)載應(yīng)用中，我們看到平板架構(gòu)的趨勢具有GaN技術(shù)的功率附加效率（PAE）優(yōu)勢。GaN還使大型地面雷達(dá)能夠從TWT驅(qū)動(dòng)的碟形天線轉(zhuǎn)向基于相控陣的天線技術(shù)。我們現(xiàn)在能夠擁有單片GaN IC，能夠以超過50%的PAE提供超過100瓦的功率。將這種水平的PAE與雷達(dá)應(yīng)用的低占空比相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)表面貼裝解決方案，從而大大降低天線陣列的尺寸、重量和成本。除了GaN的純功率能力之外，與現(xiàn)有的GaAs IC解決方案相比，其尺寸減小。將X波段的6 W至8 W砷化鎵功率放大器與基于GaN的解決方案進(jìn)行比較，可將占位面積減少50%或更多。當(dāng)試圖將這些電子設(shè)備安裝到相控陣天線的單元單元中時(shí)，這種尺寸的減少意義重大。

ADI公司模擬相控陣IC

ADI公司開發(fā)了集成模擬波束成形IC，旨在支持雷達(dá)、衛(wèi)星通信和5G電信等一系列應(yīng)用。ADAR1000 X/Ku波段波束成形IC是一款4通道器件，頻率為8 GHz至16 GHz，工作在時(shí)分雙工（TDD）模式，發(fā)射器和接收器集成在一個(gè)IC中。這是X波段雷達(dá)應(yīng)用以及Ku波段衛(wèi)星通信的理想選擇，其中IC可以配置為僅收發(fā)器或僅接收器模式。4通道IC采用7 mm ×7 mm QFN表面貼裝封裝，可輕松集成到平板陣列中，發(fā)射模式下每通道功耗僅為240 mW，接收模式下每通道功耗僅為160 mW。收發(fā)器和接收器通道直接提供，外部設(shè)計(jì)用于與ADI公司提供的前端模塊（FEM）配接。圖5顯示了360全相位覆蓋的增益和相位控制，其中相位步長可能小于2.8°，增益控制優(yōu)于31 dB。ADAR1000內(nèi)置片內(nèi)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)射器提供約19 dB增益和15 dBm飽和功率，其中接收增益約為14 dB。另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是增益控制上的相變，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，從而緩解了校準(zhǔn)挑戰(zhàn)。

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)而開發(fā)，將一些數(shù)字波束成形與模擬波束成形相結(jié)合。ADI公司提供從天線到比特的完整解決方案，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公司能夠適當(dāng)?shù)亟M合功能并優(yōu)化IC，從而更輕松地為客戶實(shí)現(xiàn)天線設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷