作者：Keith Benson

摘要

為提高性能，無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)對天線架構(gòu)的需求不斷增長。只有那些功耗低于傳統(tǒng)機(jī)械操縱碟形天線的天線才能實(shí)現(xiàn)許多新的應(yīng)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(gè)數(shù)據(jù)流，并以超低的成本，延長工作壽命。有些應(yīng)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(gè)行業(yè)的相控天線設(shè)計(jì)為這些挑戰(zhàn)提供了解決辦法。人們開始采用先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)解決相控陣天線過去存在的缺點(diǎn)，以最終減小這些解決方案的尺寸、重量和功率。本文將簡要介紹現(xiàn)有的天線解決方案以及電控天線的優(yōu)勢所在。在此基礎(chǔ)上，本文將介紹半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展如何幫助實(shí)現(xiàn)改進(jìn)電控天線SWaP-C這一目標(biāo)，然后舉例說明ADI技術(shù)如何做到這一點(diǎn)。

簡介

依靠天線發(fā)送和接收信號的無線電子系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行了100多年。隨著精度、效率和更高級指標(biāo)變得越來越重要，這些電子系統(tǒng)將繼續(xù)改進(jìn)和完善。在過去幾年中，碟形天線已被廣泛用于發(fā)射 (Tx) 和接收 (Rx) 信號，其中方向性至關(guān)重要，并且經(jīng)過多年的優(yōu)化，許多這些系統(tǒng)都能以相對低的成本良好地運(yùn)行。這些碟形天線擁有一個(gè)用于旋轉(zhuǎn)輻射方向的機(jī)械臂，它們的確存在一些缺點(diǎn)，包括轉(zhuǎn)向慢、物理尺寸大、長期可靠性差并且只有一個(gè)符合要求的輻射圖或數(shù)據(jù)流。因此，工程師們已轉(zhuǎn)向先進(jìn)的相控陣天線技術(shù)來改進(jìn)這些特性、添加新功能。相控陣天線采用電動轉(zhuǎn)向機(jī)制，相比傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向天線具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如高度低/體積小、更好的長期可靠性、快速轉(zhuǎn)向、多波束等。憑借這些優(yōu)勢，相控陣已經(jīng)被軍事應(yīng)用、衛(wèi)星通信和包括車聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的5G電信等應(yīng)用中得到廣泛運(yùn)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，其中，每個(gè)元件的輻射圖均在結(jié)構(gòu)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(fā)射輻射能量，而根據(jù)設(shè)計(jì)，天線負(fù)責(zé)破壞性地干擾無用方向上的信號，形成無效信號和旁瓣。天線陣列設(shè)計(jì)用于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。可以通過改變饋入每個(gè)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(diào)整每個(gè)天線中信號的相位，將有效波束控制在線性陣列的目標(biāo)方向上。結(jié)果，陣列中的每個(gè)天線都具有獨(dú)立的相位和幅度設(shè)置，以形成期望的輻射圖。由于沒有機(jī)械運(yùn)動部件，所以很容易理解相控陣中波束快速轉(zhuǎn)向的屬性。基于IC的半導(dǎo)體相位調(diào)整可以在幾納秒內(nèi)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(yīng)。類似地，我們可以從輻射波束變?yōu)橛行Я泓c(diǎn)以吸收干擾物的信號，使該物體看起來不可見，隱形飛機(jī)即是如此。重新定位輻射圖或改變?yōu)橛行Я泓c(diǎn)，這些變化幾乎可以立即完成，因?yàn)槲覀兛梢允褂没贗C的器件而非機(jī)械部件，以電氣方式改變相位設(shè)置。相控陣天線相比機(jī)械天線的另一個(gè)優(yōu)勢是它能同時(shí)輻射多個(gè)波束，因而可以跟蹤多個(gè)目標(biāo)或管理多個(gè)數(shù)據(jù)流的用戶數(shù)據(jù)。這是通過在基帶頻率下對多個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字信號處理來實(shí)現(xiàn)的。

該陣列的典型實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)，意味著總共有16個(gè)元件。圖2所示為一個(gè)小型4×4陣列，其中，貼片天線為輻射器。在地面雷達(dá)系統(tǒng)中，這種天線陣列可以變得非常大，可能有超過100,000個(gè)元件。

在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮陣列大小與每個(gè)輻射元件的功率之間的權(quán)衡關(guān)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(zhì)因數(shù)來預(yù)測天線的性能。通常，天線設(shè)計(jì)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(chǔ)等式可用于描述以下等式中所示的這些參數(shù)。我們可以看到，天線增益和EIRP與陣列中元件的數(shù)量成正比。這可能導(dǎo)致地面雷達(dá)應(yīng)用中常見的大型陣列。

其中

N = 元件數(shù)量
Ge = 元件增益
Gt = 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隔。一旦我們通過設(shè)定元件數(shù)量確定了系統(tǒng)目標(biāo)，物理陣列直徑很大程度上取決于每個(gè)單元構(gòu)件的大小限制，其要小于大約二分之一波長，因?yàn)檫@樣可以防止柵瓣。柵瓣相當(dāng)于在無用方向上輻射的能量。這對進(jìn)入陣列的電子器件提出了嚴(yán)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(shè)計(jì)特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槠渲忻總€(gè)單元構(gòu)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(jìn)，并且使困難不斷增加的散熱管理技術(shù)得到了簡化。

我們構(gòu)建整個(gè)天線時(shí)，陣列設(shè)計(jì)面臨許多挑戰(zhàn)，包括控制線路由、電源管理、脈沖電路、散熱管理、環(huán)境考慮因素等。業(yè)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(tǒng)的電路板結(jié)構(gòu)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(jìn)，以持續(xù)減小電路板的尺寸，從而減小天線的深度。下一代設(shè)計(jì)從這種板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向平板式方法，其中，每個(gè)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(yīng)用或機(jī)載應(yīng)用當(dāng)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(gè)子集，其中，天線一端可能發(fā)生頻率轉(zhuǎn)換級；同時(shí)也是一個(gè)分配網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)從單個(gè)RF輸入開始路由到整個(gè)陣列。顯然，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，越來越多的電子元件被集成到越來越小的空間中，天線設(shè)計(jì)需要新的半導(dǎo)體技術(shù)來幫助提高解決方案的可行性。

數(shù)字波束合成與模擬波束合成

過去幾年設(shè)計(jì)的大多數(shù)相控陣天線都使用了模擬波束成形技術(shù)，其中的相位調(diào)整是在RF或IF頻率下進(jìn)行的，并且整個(gè)天線都采用一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。人們越來越關(guān)注數(shù)字波束成形，其中，每個(gè)天線元件都有一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，并且相位調(diào)整是在FPGA或某些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中以數(shù)字方式完成的。數(shù)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(shù)量。這種卓越的靈活性在許多應(yīng)用中都具有極強(qiáng)的吸引力，并且對其普及化也起著推動作用。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的不斷改進(jìn)降低了功耗并且擴(kuò)展到了更高的頻率，L波段和S波段的RF采樣使這項(xiàng)技術(shù)可以用于雷達(dá)系統(tǒng)。

在考慮模擬與數(shù)字波束成形兩個(gè)選項(xiàng)時(shí)，需要考慮多種因素，但分析通常取決于所需波束數(shù)量、功耗和成本目標(biāo)。數(shù)字波束成形方法因每個(gè)元件搭配一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，所以其功耗通常較高，但是在形成多個(gè)波束方面，卻極其靈活、便利。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器還需要更高的動態(tài)范圍，因?yàn)榫芙^阻塞的波束成形只能在數(shù)字化之后完成。模擬波束成形可以支持多個(gè)波束，但每個(gè)波束需要額外的相位調(diào)整通道。例如，為了形成100波束的系統(tǒng)，需要將1波束系統(tǒng)的RF移相器的數(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根據(jù)波束的數(shù)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(shù)量的增加，如果需要額外的增益級來驅(qū)動分配網(wǎng)絡(luò)，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，隨后是子陣列信號的一些數(shù)字組合。這是業(yè)內(nèi)日益熱門的一個(gè)領(lǐng)域，并將在未來幾年繼續(xù)發(fā)展壯大。

半導(dǎo)體技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)脈沖雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射可以從物體上反射的信號，雷達(dá)等待返回脈沖以映射天線的視場。在過去幾年中，這種天線前端解決方案會采用分立式元件，此類元件很可能采用砷化鎵技術(shù)。用作這些相控陣天線構(gòu)建模塊的I C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（最終控制天線）的移相器、一個(gè)可以使波束逐漸變細(xì)的衰減器、一個(gè)用于傳輸信號的功率放大器和一個(gè)用于接收信號的低噪聲放大器，另有一個(gè)用于在發(fā)射與接收之間切換的開關(guān)。在過去的實(shí)施方案中，這些IC中的每一個(gè)都可能放在5mm×5mm的封裝中，更先進(jìn)的解決方案則可能用集成式單片單通道GaAs IC來實(shí)現(xiàn)該功能。

相控陣天線近年來的普及離不開半導(dǎo)體技術(shù)的推動。SiGe BiCMOS、SOI（絕緣體上硅）和體CMOS中的高級節(jié)點(diǎn)將用于控制陣列中轉(zhuǎn)向的組合數(shù)字電路以及用于實(shí)現(xiàn)相位和幅度調(diào)整的RF信號路徑集成到單個(gè)IC當(dāng)中。如今，我們已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)多通道波束成形IC，此類IC可在4通道配置中調(diào)整增益和相位，最多可支持32個(gè)通道，可用于毫米波設(shè)計(jì)。在一些低功耗示例中，基于硅的I C有可能為上述所有功能提供單片解決方案。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)相控陣天線單元構(gòu)件的需求，傳統(tǒng)上這些天線基本上由基于行波管 (TWT) 的功率放大器或基于較低功率GaAs的功率放大器伺服。在機(jī)載應(yīng)用中，我們看到了平板架構(gòu)日益盛行的趨勢，因?yàn)槠渫瑫r(shí)具有GaN技術(shù)的功率附加效率 (PAE) 優(yōu)勢。GaN還使大型地基雷達(dá)能夠從由TWT驅(qū)動的碟形天線轉(zhuǎn)向基于相控陣的天線技術(shù)。我們目前能使用單片GaN IC，這類IC能提供超過100瓦的功率，PAE超過50％。將這種PAE水平與雷達(dá)應(yīng)用的低占空比相結(jié)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，與現(xiàn)有GaAs IC解決方案相比的額外好處是尺寸減小了。將X波段的6 W至8 W GaAs功率放大器與基于GaN的解決方案進(jìn)行比較可將占位面積減少50％或以上。在將這些電子器件裝配到相控陣天線的單元構(gòu)件中時(shí)，這種占位面積的減小有著顯著的意義。

ADI公司的模擬相控陣IC

ADI公司開發(fā)了集成模擬波束成形IC，其可以支持雷達(dá)、衛(wèi)星通信、5G通信等一系列應(yīng)用。ADAR1000 X-/Ku波段波束成形IC是一款4通道器件，覆蓋頻段為8 GHz至16 GHz，工作于時(shí)分雙工 (TDD) 模式，其發(fā)射器和接收器集成在一個(gè)IC當(dāng)中。該器件是X波段雷達(dá)應(yīng)用以及Ku波段衛(wèi)星通信的理想選擇，在這類應(yīng)用中，IC可以配置為僅以收發(fā)器模式或僅接收器模式運(yùn)行。這款4通道IC采用7 mm×7 mmQFN表貼封裝，可輕松集成到平板陣列當(dāng)中，在發(fā)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(fā)器和接收器通道直接可用，在外部設(shè)計(jì)上可以與ADI公司提供的前端模塊 (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(shí)現(xiàn)小于2.8°的相位步長和優(yōu)于31 dB的增益控制。

ADAR1000集成片上存儲器，可存儲多達(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(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是增益控制的相位變化，其在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，緩解了校準(zhǔn)難題。

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)，混合陣列架構(gòu)將一些數(shù)字波束成形技術(shù)與模擬波束成形技術(shù)結(jié)合了起來。ADI公司提供從天線到位的完整解決方案，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?qū)⒍喾N功能組合起來并對IC進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，從而輕松地為客戶實(shí)現(xiàn)天線設(shè)計(jì)。

作者介紹

Keith Benson [keith.benson@analog.com ] 于2002年畢業(yè)于馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，2004年畢業(yè)于加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校，獲電氣工程碩士學(xué)位。他之前就職于Hittite Microwave，主攻RF無線電子的IC設(shè)計(jì)。然后轉(zhuǎn)向IC設(shè)計(jì)工程師團(tuán)隊(duì)管理，主要負(fù)責(zé)無線通信鏈路。2014年，ADI公司收購了Hittite Microwave，Keith成為ADI公司RF/微波放大器和相控陣IC的產(chǎn)品線總監(jiān)。Keith目前擁有3項(xiàng)新穎放大器技術(shù)方面的美國專利。