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相控陣技術是如何簡化天線設計的?

時間:2019-07-10 作者:Keith Benson,ADI 閱讀:
爲提高性能,無線通信和雷達系統對天線架構的需求不斷增長。只有那些功耗低于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,傳輸多個數據流,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信號的作用,降低攔截概率。正在席卷整個行業的相控天線設計爲這些挑戰提供了解決辦法。

摘要

爲提高性能,無線通信和雷達系統對天線架構的需求不斷增長。只有那些功耗低于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,傳輸多個數據流,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信號的作用,降低攔截概率。正在席卷整個行業的相控天線設計爲這些挑戰提供了解決辦法。人们开始采用先进的半導體技術解决相控阵天线过去存在的缺点,以最终减小这些解决方案的尺寸、重量和功率。本文将简要介绍现有的天线解决方案以及电控天线的优势所在。在此基础上,本文将介绍半導體技術的发展如何帮助实现改进电控天线SWaP-C这一目标,然后举例说明ADI技术如何做到这一点。fXREETC-電子工程專輯

簡介

依靠天線發送和接收信號的無線電子系統已經運行了100多年。隨著精度、效率和更高級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于發射(Tx)和接收(Rx)信號,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于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數據流。因此,工程師們已轉向先進的相控陣天線技術來改進這些特性、添加新功能。相控陣天線采用電動轉向機制,相比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。憑借這些優勢,相控陣已經被軍事應用、衛星通信和包括車聯網在內的5G電信等應用中得到廣泛運用。fXREETC-電子工程專輯

相控陣技術

相控陣天線是組裝在一起的天線元件的集合,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爲主瓣的有效輻射圖。主瓣在期望位置發射輻射能量,而根據設計,天線負責破壞性地幹擾無用方向上的信號,形成無效信號和旁瓣。天線陣列設計用于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平。可以通過改變饋入每個天線元件的信號的相位來操縱輻射方向。圖1展示了如何通過調整每個天線中信號的相位,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。由于沒有機械運動部件,所以很容易理解相控陣中波束快速轉向的屬性。基于IC的半導體相位調整可以在幾納秒內完成,這樣我們就可以改變輻射圖的方向,針對新的威脅或用戶快速做出響應。類似地,我們可以從輻射波束變爲有效零點以吸收幹擾物的信號,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爲有效零點,這些變化幾乎可以立即完成,因爲我們可以使用基于IC的器件而非機械部件,以電氣方式改變相位設置。相控陣天線相比機械天線的另一個優勢是它能同時輻射多個波束,因而可以跟蹤多個目標或管理多個數據流的用戶數據。這是通過在基帶頻率下對多個數據流進行數字信號處理來實現的。fXREETC-電子工程專輯

ADI19071001.png圖1.相控陣元件基礎理論圖。fXREETC-電子工程專輯

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,其采用4×4式設計,意味著總共有16個元件。圖2所示爲一個小型4×4陣列,其中,貼片天線爲輻射器。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。fXREETC-電子工程專輯

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圖2.4×4元件列陣的輻射圖展示。fXREETC-電子工程專輯

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系,這些元件會影響波束的方向性和有效輻射功率。可以通過考察一些常見的品質因數來預測天線的性能。通常,天線設計人員會考察天線增益、有效各向輻射功率(EIRP)及Gt/Tn。有一些基礎等式可用于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。fXREETC-電子工程專輯
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其中fXREETC-電子工程專輯
N = 元件数量fXREETC-電子工程專輯
Ge =元件增益fXREETC-電子工程專輯
Gt = 线增益fXREETC-電子工程專輯
Pt = 发射机总功率fXREETC-電子工程專輯
Pe = 每个元件的功率fXREETC-電子工程專輯
Tn = 噪声温度fXREETC-電子工程專輯

相控陣天線設計的另一個關鍵方面是天線元件的間隔。一旦我們通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于每個單元構件的大小限制,其要小于大約二分之一波長,因爲這樣可以防止柵瓣。柵瓣相當于在無用方向上輻射的能量。這對進入陣列的電子器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,因爲其中每個單元構件的長度會變小。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,並且使困難不斷增加的散熱管理技術得到了簡化。fXREETC-電子工程專輯

我們構建整個天線時,陣列設計面臨許多挑戰,包括控制線路由、電源管理、脈沖電路、散熱管理、環境考慮因素等。業界有一股龐大的推動力量,促使我們走向體積小、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都有足夠高的集成度,可以簡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用或機載應用當中。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絡,負責從單個RF輸入開始路由到整個陣列。顯然,集成度更高的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集成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。fXREETC-電子工程專輯

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圖3.平板陣列,圖中所示爲PCB頂部的天線貼片,IC則位于天線PCB的背面。fXREETC-電子工程專輯

數字波束合成與模擬波束合成

過去幾年設計的大多數相控陣天線都使用了模擬波束成形技術,其中的相位調整是在RF或IF頻率下進行的,並且整個天線都采用一組數據轉換器。人們越來越關注數字波束成形,其中,每個天線元件都有一組數據轉換器,並且相位調整是在FPGA或某些數據轉換器中以數字方式完成的。數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。數據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采樣使這項技術可以用于雷達系統。在考慮模擬與數字波束成形兩個選項時,需要考慮多種因素,但分析通常取決于所需波束數量、功耗和成本目標。數字波束成形方法因每個元件搭配一個數據轉換器,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。數據轉換器還需要更高的動態範圍,因爲拒絕阻塞的波束成形只能在數字化之後完成。模擬波束成形可以支持多個波束,但每個波束需要額外的相位調整通道。例如,爲了形成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,因此數據轉換器與相位調整IC的成本考慮因素可能根據波束的數量而改變。類似地,對于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絡,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,隨後是子陣列信號的一些數字組合。這是業內日益熱門的一個領域,並將在未來幾年繼續發展壯大。fXREETC-電子工程專輯

半導體技術

标准脉冲雷达系统发射可以从物体上反射的信号,雷达等待返回脉冲以映射天线的视场。在过去几年中,这种天线前端解决方案会采用分立式元件,此类元件很可能采用砷化镓技术。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(最终控制天线)的移相器、一个可以使波束逐渐变细的衰减器、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,另有一个用于在发射与接收之间切换的开关。在过去的实施方案中,这些IC中的每一个都可能放在5mm×5mm的封装中,更先进的解决方案则可能用集成式单片单通道GaAs IC来实现该功能。fXREETC-電子工程專輯

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圖4.相控陣天線的典型RF前端示例。fXREETC-電子工程專輯

相控阵天线近年来的普及离不开半導體技術的推动。SiGe BiCMOS、SOI(绝缘体上硅)和体CMOS中的高级节点将用于控制阵列中转向的组合数字电路以及用于实现相位和幅度调整的RF信号路径集成到单个IC当中。如今,我们已经可以实现多通道波束成形IC,此类IC可在4通道配置中调整增益和相位,最多可支持32个通道,可用于毫米波设计。在一些低功耗示例中,基于硅的IC有可能为上述所有功能提供单片解决方案。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,以适应相控阵天线单元构件的需求,传统上这些天线基本上由基于行波管(TWT)的功率放大器或基于较低功率GaAs的功率放大器伺服。在机载应用中,我们看到了平板架构日益盛行的趋势,因为其同时具有GaN技术的功率附加效率(PAE)优势。GaN还使大型地基雷达能够从由TWT驱动的碟形天线转向基于相控阵的天线技术。我们目前能使用单片GaN IC,这类IC能提供超过100瓦的功率,PAE超过50%。将这种PAE水平与雷达应用的低占空比相结合,可以确定天线阵列的尺寸、重量和成本。在GaN的纯功率能力以外,与现有GaAs IC解决方案相比的额外好处是尺寸减小了。将X波段的6 W至8 W GaAs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%或以上。在将这些电子器件装配到相控阵天线的单元构件中时,这种占位面积的减小有着显著的意义。fXREETC-電子工程專輯

ADI公司的模擬相控陣IC

ADI公司开发了集成模拟波束成形IC,其可以支持雷达、衛星通信、5G通信等一系列应用。ADAR1000 X-/Ku波段波束成形IC是一款4通道器件,覆盖频段为8 GHz至16 GHz,工作于时分双工(TDD)模式,其发射器和接收器集成在一个IC当中。该器件是X波段雷达应用以及Ku波段衛星通信的理想选择,在这类应用中,IC可以配置为仅以收发器模式或仅接收器模式运行。这款4通道IC采用7 mm×7 mm QFN表贴封装,可轻松集成到平板阵列当中,在发射模式下功耗仅为240 mW/通道,在接收模式下功耗仅为160 mW/通道。收发器和接收器通道直接可用,在外部设计上可以与ADI公司提供的前端模块(FEM)配合使用。图5显示了具有全360°相位覆盖的增益和相位控制,可以实现小于2.8°的相位步长和优于31 dB的增益控制。ADAR1000集成片上存储器,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。发射器提供大约19 dB的增益和15 dBm的饱和功率,其中接收增益约为14 dB。另一个关键指标是增益控制的相位变化,其在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,缓解了校准难题。fXREETC-電子工程專輯

ADI19071005.png图5.ADAR1000 Tx增益/回波损耗和相位/增益控制,频率 = 11.5 GHz。fXREETC-電子工程專輯

該波束成形IC專爲模擬相控陣應用或混合陣列架構而開發,混合陣列架構將一些數字波束成形技術與模擬波束成形技術結合了起來。ADI公司提供從天線到位的完整解決方案,包括數據轉換器、頻率轉換、模擬波束成形IC以及前端模塊。組合芯片組使ADI公司能夠將多種功能組合起來並對IC進行適當優化,從而輕松地爲客戶實現天線設計。fXREETC-電子工程專輯

ADI19071006.png圖6.訪問analog.com/phasedarray,了解有關ADI相控陣産品的更多信息。fXREETC-電子工程專輯

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