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相位陣列波束成形IC簡化天線設計
 

【作者: Keith Benson】   2020年11月27日 星期五

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為提高性能,無線通訊和雷達系統對天線架構的需求不斷成長。只有那些功耗低於傳統機械操縱碟形天線的天線才能實現許多新的應用。除了這些要求以外,還需要針對新的威脅或新的用戶快速重新定位,傳輸多個資料流程,並以超低的成本,延長工作壽命。有些應用需要抵消輸入阻塞訊號的作用,降低攔截概率。


正在席捲整個產業的相位陣列天線設計為這些挑戰提供了解決辦法。人們開始採用先進的半導體技術解決相位陣列天線過去存在的缺點,以最終減小這些解決方案的尺寸、重量和功率。


簡介

依靠天線發送和接收訊號的無線電子系統已經運行了100多年。隨著精度、效率和更進階指標變得越來越重要,這些電子系統將繼續改進和完善。在過去幾年中,碟形天線已被廣泛用於發射(Tx)和接收(Rx)訊號,其中方向性至關重要,並且經過多年的優化,許多這些系統都能以相對低的成本良好地運行。


這些碟形天線擁有一個用於旋轉輻射方向的機械臂,它們的確存在一些缺點,包括轉向慢、物理尺寸大、長期可靠性差,並且只有一個符合要求的輻射圖或資料流。因此,工程師們已轉向先進的相位陣列天線技術來改進這些特性、增加新功能。


相位陣列天線採用電動轉向機制,相較於傳統機械轉向天線具有諸多優點,例如高度低/體積小、更好的長期可靠性、快速轉向、多波束等。憑藉這些優勢,相位陣列已經被軍事應用、衛星通訊和包括車聯網在內的5G電信等應用中得到廣泛運用。


相位陣列技術

相位陣列天線是集合組裝在一起的天線元件,其中,每個元件的輻射圖均在結構上與相鄰天線的輻射圖組合形成稱為主瓣的有效輻射圖。主瓣在期望位置發射輻射能量,而根據設計,天線負責破壞性地干擾無用方向上的訊號,形成無效訊號和旁瓣。


天線陣列設計用於最大化主瓣輻射的能量,同時將旁瓣輻射的能量降低到可接受的水準。可以透過改變饋入每個天線元件的訊號的相位來操縱輻射方向。圖一展示如何透過調整每個天線中訊號的相位,將有效波束控制在線性陣列的目標方向上。結果,陣列中的每個天線都具有獨立的相位和幅度設置,以形成期望的輻射圖。


由於沒有機械運動部件,所以很容易理解相位陣列中波束快速轉向的屬性。基於IC的半導體相位調整可以在幾奈秒內完成,這樣就可以改變輻射圖的方向,針對新的威脅或用戶快速做出回應。


類似地,我們可以從輻射波束變為有效零點以吸收干擾物的訊號,使該物體看起來不可見,隱形飛機即是如此。重新定位輻射圖或改變為有效零點,這些變化幾乎可以立即完成,因為可以使用基於IC的元件而非機械部件,以電氣方式改變相位設定。


相較於機械天線,相位陣列天線的另一個優勢是它能同時輻射多個波束,因而可以追蹤多個目標或管理多個資料流程的使用者資料。這是透過在基頻頻率下對多個資料流程進行數位訊號處理來實現的。



圖一 : 相位陣列元件基礎理論圖
圖一 : 相位陣列元件基礎理論圖

該陣列的典型實現方式使用以等間隔行列配置的貼片天線元件,其採用4×4式設計,表示總共有16個元件。圖二所示為一個小型 4×4陣列,其中,貼片天線為輻射器。在地面雷達系統中,這種天線陣列可以變得非常大,可能有超過100,000個元件。


圖二 : 4×4元件列陣的輻射圖展示。
圖二 : 4×4元件列陣的輻射圖展示。

在設計時要考慮陣列大小與每個輻射元件的功率之間的權衡關係,這些元件會影響波束的方向性和有效輻射功率,透過考察一些常見的品質因數,則可以預測天線的性能。


通常天線設計人員會考量天線增益、有效各向輻射功率(EIRP)及Gt/Tn。有一些基礎等式可用於描述以下等式中所示的這些參數。我們可以看到,天線增益和EIRP與陣列中元件的數量成正比。這可能導致地面雷達應用中常見的大型陣列。



圖三
圖三

相位陣列天線設計的另一個關鍵方面是天線元件的間隔。一旦透過設定元件數量確定了系統目標,物理陣列直徑很大程度上取決於每個單元構件的大小限制,其要小於大約二分之一波長,如此可以防止柵瓣。


柵瓣相當於在無用方向上輻射的能量。這對進入陣列的電子元件提出了嚴格的要求,必須做到體積小、功率低、重量輕。半波長間隔在較高頻率下對設計特別具有挑戰性,因為其中每個單元構件的長度會變小。這堆高了更高頻率IC的整合度,促使封裝解決方案變得更加先進,並且使困難不斷增加的散熱管理技術獲得簡化。


在構建整個天線時,陣列設計面臨著許多挑戰,包括控制線路由、電源管理、脈衝電路、散熱管理、環境考慮因素等。目前業界已經形成一股龐大的推動力量,促使走向體積小、重量輕的低剖面陣列。


傳統的電路板結構使用小型PCB板,其上的電子元件垂直饋入天線PCB的背面。在過去的20年中,這種方法不斷改進,以持續減小電路板的尺寸,從而減小天線的深度。


下一代設計從這種板結構轉向平板式方法,其中,每個IC都有足夠高的整合度,可以簡單地安裝在天線板的背面,大幅減小了天線的深度,使它們能更容易地裝入行動應用或機載應用當中。


在圖四中,左圖展示PCB頂部的金色貼片天線元件,右圖顯示PCB底部的天線類比前端。這只是天線的一個子集,其中,天線一端可能發生頻率轉換級;同時也是一個分配網路,負責從單一RF輸入開始路由到整個陣列。


顯然,整合度更高的IC顯著減少了天線設計中的挑戰,並且隨著天線變得越來越小,越來越多的電子元件被整合到越來越小的空間中,天線設計需要新的半導體技術來幫助提高解決方案的可行性。



圖四 : 平板陣列,圖中所示為PCB頂部的天線貼片,IC則位於天線PCB的背面。
圖四 : 平板陣列,圖中所示為PCB頂部的天線貼片,IC則位於天線PCB的背面。

數位波束成形與類比波束成形

過去幾年設計的大多數相位陣列天線都使用了類比波束成形技術,其中的相位調整是在RF或IF頻率下進行的,並且整個天線都採用一組資料轉換器。人們越來越關注數位波束成形,其中,每個天線元件都有一組資料轉換器,並且相位調整是在FPG A或某些資料轉換器中以數位方式完成的。


數位波束成形有許多好處,從輕鬆傳輸多條波束的能力,甚至還能即刻改變波束的數量。這種卓越的靈活性在許多應用中都具有極強的吸引力,並且對其普及化也起著推動作用。


資料轉換器的不斷改進降低了功耗並且擴展到了更高的頻率,L波段和S波段的RF採樣使這項技術可以用於雷達系統。


在考慮模擬與數位波束成形兩個選項時,需要考慮多種因素,但分析通常取決於所需波束數量、功耗和成本目標。數字波束成形方法因每個元件搭配一個資料轉換器,所以其功耗通常較高,但是在形成多個波束方面,卻極其靈活、便利。


資料轉換器還需要更高的動態範圍,因為拒絕阻塞的波束成形只能在數位化之後完成。模擬波束成形可以支援多個波束,但每個波束需要額外的相位調整通道。例如,為了形成100波束的系統,需要將1波束系統的RF移相器的數量乘以 100,因此資料轉換器與相位調整IC的成本考慮因素可能根據波束的數量而改變。類似地,對於可以利用無源移相器的模擬波束成形方法,其功耗通常較低,但隨著波束數量的增加,如果需要額外的增益級來驅動分配網路,則功耗也將增加。


常見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,隨後是子陣列訊號的一些數位組合。這是業界日益熱門的一個領域,並將在未來幾 年繼續發展壯大。


半導體技術

標準脈衝雷達系統發射可以從物體上反射的訊號,雷達等待返回脈衝以映射天線的視場。在過去幾年中,這種天線前端解決方案會採用分立式元件,此類元件很可能採用砷化鎵技術。用於這些相位陣列天線構建模組的IC元件如圖五所示。


它們包括一個用於調整每個天線元件相位(最終控制天線)的移相器、一個可以使波束逐漸變細的衰減器、一個用於傳輸訊號的功率放大器和一個用於接收訊號的低雜訊放大器,另有一個用於在發射與接收之間切換的開關。


在過去的實施方案中,這些IC中的每一個都可能放在5mm×5mm的封裝中,更先進的解決方案則可能用整合式單晶片單通道GaAs IC來實現該功能。



圖五 : 相位陣列天線的典型RF前端示例。
圖五 : 相位陣列天線的典型RF前端示例。

相位陣列天線近年來的普及離不開半導體技術的推動。SiGe BiCMOS、SOI和bulk CMOS中的進階節點將用於控制陣列中轉向的組合數位電路以及用於實現相位和幅度調整的RF訊號路徑整合到單一IC當中。如今我們已經可以實現多通道波束成形IC,此類IC可在4通道配置中調整增益和相位,最多可支援32個通道,可用於毫米波設計。在一些低功耗示例中,基於矽的IC有可能為上述所有功能提供單晶片解決方案。


在高功率應用中,基於氮化鎵的功率放大器顯著提高了功率密度,以適應相位陣列天線單元構件的需求,傳統上這些天線基本上由基於行波管(TWT)的功率放大器或基於較低功率GaAs的功率放大器伺服。


在機載應用中,我們看到了平板架構日益盛行的趨勢,因為其同時具有GaN技術的功率附加效率(PAE)優勢。GaN還使大型地基雷達能夠從由TWT驅動的碟形天線轉向基於相位陣列的天線技術。目前能使用單晶片GaN IC,這類IC能提供超過100瓦的功率,PAE超過50%。將這種PAE水準與雷達應用的低占空比相結合,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,相較於現有GaAs IC解決方案的額外好處是尺寸減小了。將X波段的6 W至8 W GaAs功率放大器與基於GaN的解決方案進行比較可將占位面積減少50%或以上。在將這些電子元件裝配到相位陣列天線的單元構件中時,這種占位面積的減小有著顯著的意義。



圖六 : ADAR1000 Tx增益/回波損耗和相位/增益控制,頻率 = 11.5 GHz。
圖六 : ADAR1000 Tx增益/回波損耗和相位/增益控制,頻率 = 11.5 GHz。

類比相位陣列IC

ADI開發了整合類比波束成形IC,其可以支援雷達、衛星通訊、5G通訊等一系列應用。ADAR1000 X-/Ku波段波束成形IC是一款4通道元件,覆蓋頻段為8 GHz至16 GHz,工作於時分雙工(TDD)模式,其發射器和接收器整合在一個IC當中。該元件適用於X波段雷達應用以及Ku波段衛星通訊,在這類應用中,IC可以配置為僅以收發器模式或僅接收器模式運行。


這款4通道IC採用7 mm×7 mmQFN表面黏著封裝,可輕鬆整合至平板陣列當中,在發射模式下功耗僅為240 mW/通道,在接收模式下功耗僅為160 mW/通道。收發器和接收器通道直接可用,在外部設計上可以與ADI提供的前端模組 (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,可以實現小於2.8°的相位步長和優於31 dB的增益控制。ADAR1000整合晶片上記憶體,可儲存多達121個波束狀態,其中一個狀態包含整個IC的所有相位和增益設定。發射器提供大約19 dB的增益和15 dBm的飽和功率,其中接收增益約為14 dB。


另一個關鍵指標是增益控制的相位變化,其在20 dB範圍內約為3°。同樣,在整個360°相位覆蓋範圍內,相位控制的增益變化約為0.25 dB,緩解了校準難題。


圖七
圖七

該波束成形IC專為類比相位陣列應用或混合陣列架構而開發,混合陣列架構將一些數位波束成形技術與類比波束成形技術結合了起來。ADI提供從天線到位的完整解決方案,包括資料轉換器、頻率轉換、類比波束成形IC以及前端模組。組合晶片組使ADI 能夠將多種功能組合起來並對IC進行適當優化,從而輕鬆地為客戶實現天線設計。


(本文作者Keith Benson為美商亞德諾ADI公司產品線總監)


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