本文將一些散落在互聯網上以各種形式進行的例行查詢總結為更全面的討論。我們從相控陣演進的簡史開始，討論架構趨勢和挑戰，深入了解我們對最新發展的看法，并提供文章和網絡廣播的鏈接，以提供有關各種主題的更多詳細信息。

讓我們從相控陣的演變開始。我們是怎么到這里來的？

早期的大部分相控陣工作都是為雷達應用開發的，因此考慮雷達天線實現的演變，可以很好地了解現代數字波束成形天線是如何構思的。出于必要，在第二次世界大戰期間和之后加速了雷達的重大發展。第二次世界大戰后，今天用于波形和雷達處理的大部分數學都是在各種政府實驗室和組織中制定的。

圖1.相控陣的發展。從使用旋轉碟形天線實現的雷達開始到最新的每元件數字相控陣，技術不斷進步。

一種重要的雷達處理技術是脈沖壓縮。脈沖壓縮通過線性頻率調制（LFM）和相位碼等波形選擇來實現，其中匹配濾波器輸出端的脈沖比發射脈沖短得多。脈沖壓縮量與信號帶寬直接相關。這一切都在1960年代被記錄和理解。有人說雷達是脈沖壓縮天生的。隨著對數學的理解，擴展的實現開發仍在繼續，并最終導致了現代相控陣。

第一個實現是在電子管放大器中產生高功率RF的旋轉天線天線。然后，旋轉天線被第一個相控陣天線取代，該天線用于超高性能雷達。電子管高功率放大器（HPA）仍然存在，發射信號流為：電子管HPA→波導分布→移相器→輻射元件。波束成形是一個全模擬系統。在接收時，可以制作幾種光束圖案，但該過程復雜且昂貴，因此通常僅限于幾個光束。單脈沖雷達的天線系統可以通過這種方式實現。邁向固態相控陣的第一步是引入分布在每個元件上的發射/接收（T/R）模塊，最初的實現仍然使用具有類似后端處理的模擬波束成形。T/R 模塊由用于發射的固態 HPA、用于接收的低噪聲放大器 （LNA） 以及用于控制來自天線的射頻能量（發射或接收）方向的環行器或開關組成。

目前正在進行的過渡是向數字波束成形相控陣的遷移。混合架構由模擬波束成形子陣列組成，然后是每個子陣列后面的接收器和ADC，允許數字波束成形在子陣列模式內形成許多波束。每個晶片數字相控陣包括每個晶片后面的接收器和波形發生器。每元件數字波束成形相控陣是真正軟件定義天線方向圖的推動者。可以在許多不同的方向上同時形成許多波束，并且可以自適應控制天線方向圖，包括零點。由于系統級可編程性，每個元件數字相控陣已成為許多天線架構師的目標。

您能進一步解釋一下模擬波束成形和數字波束成形之間的區別嗎？

通過如圖 2 所示的圖示可以最好地理解這一點。在模擬波束成形中，每個元件后面的RF域中都有一個移相器和增益控制，通常在T/R模塊之后。波束方向是通過在組合之前控制每個元件的RF相位來形成的。可以應用幅度錐度來幫助天線旁瓣電平。在數字波束成形中，除了全是數字之外，還會執行類似的過程。每個元件都有完整的接收器和ADC，波束成形在數字域中完成，相移以數字方式應用于每個通道，加權和形成天線方向圖。由于波束是以數字方式形成的，因此可以在相同的ADC數據上同時創建許多天線波束方向圖。這是通過復制數字波束成形時間延遲和求和結構來實現的。它是一種并行處理形式，可創建多個波束，這些波束可從同一ADC數據流獨立編程。理論上，這可以擴展到非常大量的光束。在實踐中，可實現的限制通常由數字處理能力設定。為了將處理與實際數據速率綁定，一些系統定義了波束帶寬積。該定義允許在波束數量和每個波束帶寬之間進行權衡，同時保持對系統所需數據速率的限制。

圖2.模擬與數字波束成形。

模擬波束成形的一個優點是實現簡單。數據轉換器很少，因此數字開發工作非常易于管理。挑戰在于必須為每個天線波束重復模擬波束成形結構。波束成形后也存在單點故障。然而，對于低成本、低波束數的系統，模擬波束成形是一個不錯的選擇，并且將成為成本受限天線系統的主要候選者。

數字波束成形的優勢在于可以靈活地同時在多個方向上使用多個可編程天線波束。不幸的是，挑戰是巨大的，包括大量的數字數據、同步以及每個輻射元件后面所需的電子設備的物理尺寸限制。盡管存在挑戰，但當單個天線需要多個同步波束時，它仍然是一種經濟高效的架構。

折衷方案是混合使用模擬和數字波束成形。在這種情況下，元件在模擬域中形成子陣列，然后可以在子陣列圖案內以數字方式形成波束。這可以被認為是一種混合架構，在需要數字波束成形時也非常流行，但由于任何不同的挑戰或系統成本限制，全數字波束成形是不切實際的。

您能描述一下您在射頻前端的一些工作嗎？

首先，讓我們定義RF前端。這通常由 T/R 模塊以及任何模擬波束成形組成。我們正在開發所有這些領域的產品。HPA和LNA定期發布以支持市場需求。還有低損耗、高功率開關，可在發送和接收之間實現快速前端切換。當適合客戶應用時，這些可以作為完整的解決方案集成到 T/R 模塊中。

該行業正在做大量工作來改進用于HPA和LNA的GaN技術。有幾個廣為人知的主要激勵因素，例如更高功率密度和更高擊穿電壓的能力。對于相控陣應用，還有額外的激勵因素。工作電壓越高，配電中的電流越小，整體系統效率就越高。較高的擊穿電壓為 LNA 帶來了更高的生存功率，并且在某些情況下，可以消除對前端限幅器的需求，即使 GaN LNA 噪聲系數略高于 GaAs LNA，前端限幅器也能降低整體接收器噪聲系數。

對于模擬波束成形器，我們最近發布了ADAR1000。這是一個 X 波段和 Ku 波段的 4：1 模擬波束成形器。除了所有必需的模擬波束成形功能外，還包括通過柵極控制的HPA/LNA脈沖的獨特功能。通過控制柵極而不是漏極來證明快速開/關。這種方法無需切換通過漏極的高電流。我們發布了有關柵極開關的可能電路技術的應用筆記，以及ADAR1000中有助于簡化T/R模塊周圍控制電路的功能。

對于接收器和波形發生器，目前正在實施哪些架構？

接收器和波形發生器架構大致可分為三種變體：外差、直接變頻和直接采樣。每種體系結構選擇都有優點和缺點，具體取決于應用程序。我們認為所有這些器件都有一席之地，具體取決于目標，并根據人們如何使用這些部件來創建支持所有架構的IC。圖 3 說明了不同的體系結構。雖然僅顯示了接收器，但拓撲也適用于波形發生器信號鏈。

超外差方法已經存在了100年，已經得到了很好的驗證，可以通過適當的頻率規劃提供卓越的性能。不幸的是，它也是最復雜的。它通常需要最大的功率、相對于可用帶寬的最大物理占用空間，以及頻率規劃，這在大分數帶寬下可能非常具有挑戰性。它也是可編程性最低的，除非包括額外的硬件以在各種濾波器和LO路徑之間切換。較新的趨勢之一是，現代高速轉換器和收發器能夠以更高的IF頻率進行采樣。使用這些最新版本可以簡化頻率規劃，消除混頻級，并降低伴隨的敏捷LO復雜性。

直接采樣方法長期以來一直受到追捧，但面臨著以與直接RF采樣相稱的速度運行轉換器和實現大輸入帶寬的障礙。如今，高速轉換器可用于通過S波段及更高頻段的直接采樣，參考文獻中列出了幾種。以GSPS速率采樣，模擬輸入帶寬高于6 GHz是最新的高速轉換器的新功能。高頻的直接采樣將繼續成為新興數據轉換器關注的趨勢。隨著下一代FinFET CMOS節點不斷提高晶體管工作速度并降低寄生電容，新的數據轉換器系列將成為可能，并有可能對未來的RF系統設計產生重大影響。

直接變頻架構可最有效地利用數據轉換器帶寬。數據轉換器在第一奈奎斯特模式下工作，性能最佳，低通濾波更容易。兩個數據轉換器協同工作，對I/Q信號進行采樣，從而增加用戶帶寬，而不會遇到交錯的挑戰。多年來一直困擾直接變頻架構的主要挑戰是保持I/Q平衡，以實現可接受的鏡像抑制、LO泄漏和直流偏移水平。近年來，整個直接變頻信號鏈的先進集成與數字校準相結合，克服了這些挑戰。我們的收發器產品線基于直接轉換架構。在性能合適的地方，這些將是集成度最高、最經濟的解決方案。

在數字波束成形陣列中分配波形發生器和接收器還有其他好處嗎？

分布式RF電子器件的系統工程目標之一是在通道組合時實現動態范圍的改進。當組合兩個RF信號時，如果RF信號的幅度和相位匹配，并且每個通道中的噪聲不相關，則將有一個10logN的組合增益，從而改善動態范圍。如果通道中的噪聲是相關的，則它們組合在一起時沒有改善。因此，系統工程工作之一是跟蹤相關與不相關的噪聲貢獻因素。相關噪聲可以來自跨通道共享的任何內容，包括時鐘、LO、電源等。

對于大型陣列，此改進具有重要價值。例如，如果噪聲分量全部不相關，則100個通道可以提供20 dB的動態范圍改進。我們 開發 了 自己 的 多 通道 RF 測試 臺， 以確保 客戶 使用 我們 的 組件 和 我們 自己 的 內部 設計 工作 都 了解 這些 參數。

您能否詳細說明設計人員在數字波束成形相控陣中遇到的物理尺寸挑戰？

一個基本的物理挑戰是元件間距作為波長的函數，隨著工作頻率的增加而減小。許多系統將元件間距設置為波長的一半或更小，以避免天線方向圖中出現光柵瓣。在L波段和S波段，利用最新的收發器或直接采樣轉換器，將電子元件安裝在每個元件的間距中是切實可行的。隨著頻率增加到 X 波段 （10 GHz），通過高級集成具有挑戰性，但有可能實現。在Ka波段，這是非常具有挑戰性的。隨著頻率的增加，混合架構可以變得更加實用，4：1波束成形器（如ADAR1000）可以將接收器/激勵器數量減少4個，并為RF電子器件分配額外的空間。

為了應對這一挑戰，我們將繼續整合信號鏈的完整部分。多通道集成收發器和轉換器為RF采樣奠定了基礎，減少了物理尺寸。此外，單片RFIC、SiP（系統級封裝）和集成T/R模塊中的集成RF設計都在不斷發展。多通道高速轉換器或收發器與RF進步相結合，可實現現代相控陣實施所需的集成。

相控陣設計涵蓋了工程的許多方面，從射頻設計、配電、高速數字設計、先進封裝和數字信號處理。ADI公司產品組合的廣度涵蓋了所有這些領域。在一家公司中提供全面的產品對于射頻/微波行業來說是非常獨特的，也是系統集成商開發相控陣天線系統的推動者。在這里，我們介紹了趨勢和一些注意事項。

審核編輯：郭婷