相控阵波束成形IC简化天线设计-相控阵天线结构设计

无线通信和雷达系统正面临着对天线架构（例如相控阵）日益增长的要求，以提高性能。许多新应用只能使用比传统机械控制碟形天线更薄的天线，其功耗更低。除了这些要求之外，还希望快速重新定位新的威胁或用户，传输多个数据流，并以激进的成本目标在更长的生命周期内运行。在某些应用中，需要将传入的阻塞信号归零，并且拦截概率较低。基于相控阵的天线设计应对了这些挑战，这些天线设计正在席卷整个行业。相控阵天线过去的缺点正在通过先进的半导体技术来解决，以最终减小这些解决方案的尺寸、重量和功耗。本文将简要介绍现有的天线解决方案以及电动转向天线的优势。然后，本文将介绍半导体进步如何帮助实现改进电控天线SWaP-C的目标，然后介绍实现这一目标的ADI技术示例。

介绍

依靠天线发送和接收信号的无线电子系统已经运行了 100 多年。随着对准确性、效率和更高级指标的需求变得越来越重要，它们将继续得到改进。在过去几年中，碟形天线已被广泛用于发送（Tx）和接收（Rx）信号，其中方向性很重要，经过多年的优化，其中许多系统以相对较低的成本运行良好。这些碟形天线具有机械臂来旋转辐射方向确实有一些缺点，其中包括转向速度慢，物理上很大，长期可靠性较差，并且只有一个所需的辐射图或数据流。因此，工程师们纷纷采用先进的相控阵天线技术来改进这些功能并添加新功能。相控阵天线采用电控，与传统的机械控控天线相比，具有许多优点，如薄型/体积小、长期可靠性提高、转向速度快、多波束。凭借这些优势，该行业正在军事应用、卫星通信（卫星通信）和5G电信（包括联网汽车）中得到采用。

相控阵技术

相控阵天线是组装在一起的天线元件的集合，使得每个单独元件的辐射方向图与相邻天线建设性地结合，形成称为主瓣的有效辐射方向图。主瓣在所需位置传输辐射能量，而天线设计用于破坏性地干扰不需要方向的信号，形成零点和旁瓣。天线阵列旨在最大化主瓣辐射的能量，同时将旁瓣辐射的能量降低到可接受的水平。辐射方向可以通过改变馈入每个天线元件的信号相位来操纵。图1显示了调整每个天线中信号的相位如何使有效波束沿线性阵列的所需方向引导。结果是阵列中的每个天线都有一个独立的相位和幅度设置，以形成所需的辐射方向图。相控阵中光束快速转向的属性很容易理解，无需机械运动部件。基于半导体IC的相位调整可以在纳秒内完成，这样我们就可以改变辐射方向图的方向，以快速响应新的威胁或用户。同样，可以从辐射束变为有效零点以吸收干扰源，使物体看起来不可见，例如在隐形飞机中。重新定位辐射方向图或更改为有效零点的这些变化几乎可以立即完成，因为我们可以使用基于IC的器件而不是机械部件来电改变相位设置。相控阵天线相对于机械天线的另一个优点是能够同时辐射多个波束，这可以跟踪多个目标或管理用户数据的多个数据流。这是通过在基带频率下对多个数据流进行数字信号处理来实现的。

图1.相控阵单元基本理论示意图。

该阵列的典型实现使用在等间距的行和列中配置的贴片天线元件，4 × 4 设计意味着总共 16 个元件。下图 2 显示了一个小型 4 × 4 阵列，其中贴片天线作为辐射器。这种天线阵列在地面雷达系统中可以变得相当大，可以超过100，000个元件。

图2.4 × 4 元素阵列的辐射图示。

阵列的大小与影响光束方向性和有效辐射功率的每个辐射元件的功率需要考虑设计权衡。天线性能可以通过查看一些常见的品质因数来预测。天线设计人员通常会考虑天线增益和有效各向同性辐射功率 （EIRP） 以及 Gt/Tn。有一些基本方程可用于描述以下方程中显示的这些参数。我们可以看到，天线增益和 EIRP 与阵列中的元件数量成正比。这可能导致地面雷达应用中出现大型阵列。

哪里

N = 元件数量 Ge = 元件增益 Gt = 天线增益

Pt = 发射机总功率 Pe = 每个元件

的功率

相控阵天线设计的另一个关键方面是天线元件的间距。一旦我们通过设置元件数量确定了系统目标，物理阵列直径在很大程度上取决于每个晶胞小于大约一半波长的限制，这防止了光栅瓣。光栅瓣相当于向不需要的方向辐射的能量。这对进入阵列的电子器件提出了严格的要求，包括体积小、功耗低、重量轻。半波长间距在更高频率下创造了特别具有挑战性的设计，其中每个晶胞的长度变得更小。这推动了更高频率的IC越来越集成，封装解决方案变得更加先进，热管理技术也越来越简单，尽管它变得越来越具有挑战性。

当我们构建整个天线时，阵列设计存在许多挑战，包括控制线的路由、电源管理、脉冲电路、热管理、环境考虑等。业界正在大力推动低调阵列，这些阵列消耗的体积和重量更少。传统的木板架构使用小型PCB木板，其上的电子设备垂直馈入天线PCB的背面。在过去的20年中，这种方法得到了改进，以不断减小木板的尺寸，从而减少天线的深度。下一代设计从这种板式架构转向平板方法，其中每个IC中都有足够的集成度，可以简单地将它们安装在天线板的背面，从而显着降低天线的深度，使其更容易安装到便携式或机载应用中。在图3中，左图显示了PCB顶部的金色贴片天线元件，右图显示了PCB底部天线的模拟前端。这只是天线的一个子集，例如，天线的一端可能存在变频级，以及从单个RF输入路由到整个阵列的分配网络。很容易看出，集成度更高的IC显著减少了天线设计中的挑战，并且随着天线变得越来越小，更多的电子设备封装在更小的尺寸中，天线设计需要新的半导体技术来帮助使解决方案可行。

图3.一种平板阵列，显示 PCB 顶部的天线贴片，而 IC 位于天线 PCB 的背面。

数字波束成形与模拟波束成形

过去几年设计的大多数相控阵天线都使用模拟波束成形，其中相位调整是在RF或IF频率下完成的，并且整个天线有一组数据转换器。人们对数字波束成形越来越感兴趣，其中每个天线元件有一组数据转换器，相位调整在FPGA或某些数据转换器中以数字方式完成。数字波束成形有很多好处，首先是能够轻松传输许多波束，甚至几乎立即改变波束数量。这种卓越的灵活性在许多应用中都很有吸引力，并正在推动其采用。数据转换器的不断改进正在降低功耗并扩展到更高的频率，其中L波段和S波段的RF采样使该技术在雷达系统中成为现实。在考虑模拟波束成形与数字波束成形时，需要考虑多种因素，但分析通常由所需的波束数量、功耗和成本目标决定。数字波束成形方法通常具有更高的功耗，每个元件都有一个数据转换器，但在轻松创建多个波束方面提供了很大的灵活性。数据转换器还需要更高的动态范围，因为抑制阻塞信号的波束成形仅在数字化后完成。模拟波束成形可以支持多个波束，但每个波束需要一个额外的相位调整通道。例如，要创建100波束系统，需要将1波束系统的RF移相器数量乘以100，因此数据转换器与相位调整IC的成本考虑因素可能会根据波束数量而变化。同样，对于可以利用无源移相器的模拟波束成形方法，功耗通常较低，但随着波束数量的增加，如果需要额外的增益级来驱动配电网络，功耗也会增加。一种常见的折衷方案是混合波束成形方法，其中有模拟波束成形的子阵列，然后是子阵列信号的某种数字组合。这是该行业越来越感兴趣的领域，并将在未来几年继续发展。

半导体技术

标准脉冲雷达系统发射的信号可以在雷达等待返回脉冲以映射天线视场时反射物体。在过去几年中，这种天线前端解决方案将具有分立组件，可能基于砷化镓技术。用作这些相控阵天线构建模块的IC元件如图4所示。它们包括一个用于调整每个天线元件相位的移相器（最终控制天线）、一个可以逐渐变细波束的衰减器、一个用于传输信号的功率放大器和一个用于接收信号的低噪声放大器，以及一个在发射和接收之间切换的开关。在过去的实现中，这些IC中的每一个都可以封装在5 mm×5 mm封装中，或者更先进的解决方案可以集成单片单通道GaAs IC来实现此功能。

图4.相控阵天线的典型RF前端示例。

最近相控阵天线的普及得益于半导体技术。SiGe BiCMOS、SOI（绝缘体上硅）和大容量CMOS中的高级节点结合了数字电路来控制阵列中的转向，以及实现相位和幅度调整的RF信号路径到单个IC中。如今，可以实现多通道波束成形IC，该IC在4通道配置中调节增益和相位，多达32个通道，适用于毫米波设计。在一些低功耗示例中，硅基IC可以是上述所有功能的单片解决方案。在高功率应用中，基于氮化镓的功率放大器显著提高了功率密度，以适应相控阵天线的单元，传统上由基于行波管（TWT）的PA或相对低功耗的基于GaAs的PA提供服务。在机载应用中，我们看到平板架构的趋势具有GaN技术的功率附加效率（PAE）优势。GaN还使大型地面雷达能够从TWT驱动的碟形天线转向基于相控阵的天线技术。我们现在能够拥有单片GaN IC，能够以超过50%的PAE提供超过100瓦的功率。将这种水平的PAE与雷达应用的低占空比相结合，可以实现表面贴装解决方案，从而大大降低天线阵列的尺寸、重量和成本。除了GaN的纯功率能力之外，与现有的GaAs IC解决方案相比，其尺寸减小。将X波段的6 W至8 W砷化镓功率放大器与基于GaN的解决方案进行比较，可将占位面积减少50%或更多。当试图将这些电子设备安装到相控阵天线的单元单元中时，这种尺寸的减少意义重大。

ADI公司模拟相控阵IC

ADI公司开发了集成模拟波束成形IC，旨在支持雷达、卫星通信和5G电信等一系列应用。ADAR1000 X/Ku波段波束成形IC是一款4通道器件，频率为8 GHz至16 GHz，工作在时分双工（TDD）模式，发射器和接收器集成在一个IC中。这是X波段雷达应用以及Ku波段卫星通信的理想选择，其中IC可以配置为仅收发器或仅接收器模式。4通道IC采用7 mm ×7 mm QFN表面贴装封装，可轻松集成到平板阵列中，发射模式下每通道功耗仅为240 mW，接收模式下每通道功耗仅为160 mW。收发器和接收器通道直接提供，外部设计用于与ADI公司提供的前端模块（FEM）配接。图5显示了360全相位覆盖的增益和相位控制，其中相位步长可能小于2.8°，增益控制优于31 dB。ADAR1000内置片内存储器，可存储多达121个波束状态，其中一个状态包含整个IC的所有相位和增益设置。发射器提供约19 dB增益和15 dBm饱和功率，其中接收增益约为14 dB。另一个关键指标是增益控制上的相变，在20 dB范围内约为3°。同样，在整个360°相位覆盖范围内，相位控制的增益变化约为0.25 dB，从而缓解了校准挑战。

图5.ADAR1000 Tx增益/回波损耗和相位/增益控制，频率= 11.5 GHz。

该波束成形IC专为模拟相控阵应用或混合阵列架构而开发，将一些数字波束成形与模拟波束成形相结合。ADI公司提供从天线到比特的完整解决方案，包括数据转换器、频率转换、模拟波束成形IC，以及前端模块。组合芯片组使ADI公司能够适当地组合功能并优化IC，从而更轻松地为客户实现天线设计。

审核编辑：郭婷