無線通信和雷達系統(tǒng)正面臨著對天線架構(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，傳輸多個數(shù)據(jù)流，并以激進的成本目標在更長的生命周期內(nèi)運行。在某些應(yīng)用中，需要將傳入的阻塞信號歸零，并且攔截概率較低?；谙嗫仃嚨奶炀€設(shè)計應(yīng)對了這些挑戰(zhàn)，這些天線設(shè)計正在席卷整個行業(yè)。相控陣天線過去的缺點正在通過先進的半導體技術(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轉(zhuǎn)向天線的優(yōu)勢。然后，本文將介紹半導體進步如何幫助實現(xiàn)改進電控天線SWaP-C的目標，然后介紹實現(xiàn)這一目標的ADI技術(shù)示例。

介紹

依靠天線發(fā)送和接收信號的無線電子系統(tǒng)已經(jīng)運行了 100 多年。隨著對準確性、效率和更高級指標的需求變得越來越重要，它們將繼續(xù)得到改進。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，其中方向性很重要，經(jīng)過多年的優(yōu)化，其中許多系統(tǒng)以相對較低的成本運行良好。這些碟形天線具有機械臂來旋轉(zhuǎn)輻射方向確實有一些缺點，其中包括轉(zhuǎn)向速度慢，物理上很大，長期可靠性較差，并且只有一個所需的輻射圖或數(shù)據(jù)流。因此，工程師們紛紛采用先進的相控陣天線技術(shù)來改進這些功能并添加新功能。相控陣天線采用電控，與傳統(tǒng)的機械控控天線相比，具有許多優(yōu)點，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，使得每個單獨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)計用于破壞性地干擾不需要方向的信號，形成零點和旁瓣。天線陣列旨在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。輻射方向可以通過改變饋入每個天線元件的信號相位來操縱。圖1顯示了調(diào)整每個天線中信號的相位如何使有效波束沿線性陣列的所需方向引導。結(jié)果是陣列中的每個天線都有一個獨立的相位和幅度設(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，無需機械運動部件。基于半導體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以吸收干擾源，使物體看起來不可見，例如在隱形飛機中。重新定位輻射方向圖或更改為有效零點的這些變化幾乎可以立即完成，因為我們可以使用基于IC的器件而不是機械部件來電改變相位設(shè)置。相控陣天線相對于機械天線的另一個優(yōu)點是能夠同時輻射多個波束，這可以跟蹤多個目標或管理用戶數(shù)據(jù)的多個數(shù)據(jù)流。這是通過在基帶頻率下對多個數(shù)據(jù)流進行數(shù)字信號處理來實現(xiàn)的。

圖1.相控陣單元基本理論示意圖。

該陣列的典型實現(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)計意味著總共 16 個元件。下圖 2 顯示了一個小型 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系統(tǒng)中可以變得相當大，可以超過100，000個元件。

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輻射元件的功率需要考慮設(shè)計權(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)計人員通常會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。這可能導致地面雷達應(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)射機總功率 Pe = 每個元件

的功率
Tn = 噪聲溫度

相控陣天線設(shè)計的另一個關(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，物理陣列直徑在很大程度上取決于每個晶胞小于大約一半波長的限制，這防止了光柵瓣。光柵瓣相當于向不需要的方向輻射的能量。這對進入陣列的電子器件提出了嚴格的要求，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，其中每個晶胞的長度變得更小。這推動了更高頻率的IC越來越集成，封裝解決方案變得更加先進，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。

當我們構(gòu)建整個天線時，陣列設(shè)計存在許多挑戰(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，以不斷減小木板的尺寸，從而減少天線的深度。下一代設(shè)計從這種板式架構(gòu)轉(zhuǎn)向平板方法，其中每個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。這只是天線的一個子集，例如，天線的一端可能存在變頻級，以及從單個RF輸入路由到整個陣列的分配網(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)計需要新的半導體技術(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，并且整個天線有一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。人們對數(shù)字波束成形越來越感興趣，其中每個天線元件有一組數(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，并正在推動其采用。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的不斷改進正在降低功耗并擴展到更高的頻率，其中L波段和S波段的RF采樣使該技術(shù)在雷達系統(tǒng)中成為現(xiàn)實。在考慮模擬波束成形與數(shù)字波束成形時，需要考慮多種因素，但分析通常由所需的波束數(shù)量、功耗和成本目標決定。數(shù)字波束成形方法通常具有更高的功耗，每個元件都有一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，但在輕松創(chuàng)建多個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態(tài)范圍，因為抑制阻塞信號的波束成形僅在數(shù)字化后完成。模擬波束成形可以支持多個波束，但每個波束需要一個額外的相位調(diào)整通道。例如，要創(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根據(jù)波束數(shù)量而變化。同樣，對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來驅(qū)動配電網(wǎng)絡(luò)，功耗也會增加。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。

半導體技術(shù)

標準脈沖雷達系統(tǒng)發(fā)射的信號可以在雷達等待返回脈沖以映射天線視場時反射物體。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。它們包括一個用于調(diào)整每個天線元件相位的移相器（最終控制天線）、一個可以逐漸變細波束的衰減器、一個用于傳輸信號的功率放大器和一個用于接收信號的低噪聲放大器，以及一個在發(fā)射和接收之間切換的開關(guān)。在過去的實現(xiàn)中，這些IC中的每一個都可以封裝在5 mm×5 mm封裝中，或者更先進的解決方案可以集成單片單通道GaAs IC來實現(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體技術(shù)。SiGe BiCMOS、SOI（絕緣體上硅）和大容量CMOS中的高級節(jié)點結(jié)合了數(shù)字電路來控制陣列中的轉(zhuǎn)向，以及實現(xiàn)相位和幅度調(diào)整的RF信號路徑到單個IC中。如今，可以實現(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32個通道，適用于毫米波設(shè)計。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或相對低功耗的基于GaAs的PA提供服務(wù)。在機載應(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還使大型地面雷達能夠從TWT驅(qū)動的碟形天線轉(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與雷達應(yīng)用的低占空比相結(jié)合，可以實現(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的解決方案進行比較，可將占位面積減少50%或更多。當試圖將這些電子設(shè)備安裝到相控陣天線的單元單元中時，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、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，工作在時分雙工（TDD）模式，發(fā)射器和接收器集成在一個IC中。這是X波段雷達應(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)存儲器，可存儲多達121個波束狀態(tài)，其中一個狀態(tài)包含整個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。另一個關(guān)鍵指標是增益控制上的相變，在20 dB范圍內(nèi)約為3°。同樣，在整個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?shù)亟M合功能并優(yōu)化IC，從而更輕松地為客戶實現(xiàn)天線設(shè)計。

審核編輯：郭婷