简介
依托天线发送和接纳信号的无线电子体系现已运转了100多年。跟着精度、功率和更高档方针变得越来越重要，这些电子体系将持续改善和完善。在曩昔几年中，碟形天线已被广泛用于发射(Tx)和接纳(Rx)信号，其间方向性至关重要，而且经过多年的优化，许多这些体系都能以相对低的本钱杰出地运转。这些碟形天线具有一个用于旋转辐射方向的机械臂，它们确实存在一些缺陷，包含转向慢、物理尺度大、长时间可靠性差而且只要一个符合要求的辐射图或数据流。因而，工程师们已转向先进的相控阵天线技能来改善这些特性、添加新功用。相控阵天线选用电动转向机制，比较传统机械转向天线具有许多长处，例如高度低/体积小、更好的长时间可靠性、快速转向、多波束等。凭仗这些优势，相控阵现已被军事运用、卫星通讯和包含车联网在内的5G电信等运用中得到广泛运用。
相控阵技能
相控阵天线是拼装在一起的天线元件的调集，其间，每个元件的辐射图均在结构上与相邻天线的辐射图组合构成称为主瓣的有用辐射图。主瓣在希望方位发射辐射能量，而依据规划，天线担任损坏性地搅扰无用方向上的信号，构成无效信号和旁瓣。天线阵列规划用于最大化主瓣辐射的能量，一起将旁瓣辐射的能量降低到可接受的水平。可以经过改动馈入每个天线元件的信号的相位来操作辐射方向。图1展现了怎么经过调整每个天线中信号的相位，将有用波束操控在线性阵列的方针方向上。成果，阵列中的每个天线都具有独立的相位和起伏设置，以构成希望的辐射图。由于没有机械运动部件，所以很简略了解相控阵中波束快速转向的特点。依据IC的半导体相位调整可以在几纳秒内完结，这样咱们就可以改动辐射图的方向，针对新的要挟或用户快速做出呼应。类似地，咱们可以从辐射波束变为有用零点以吸收搅扰物的信号，使该物体看起来不行见，隐形飞机便是如此。从头定位辐射图或改动为有用零点，这些改动简直可以当即完结，由于咱们可以运用依据IC的器材而非机械部件，以电气办法改动相位设置。相控阵天线比较机械天线的另一个优势是它能一起辐射多个波束，因而可以盯梢多个方针或办理多个数据流的用户数据。这是经过在基带频率下对多个数据流进行数字信号处理来完结的。
图1.相控阵元件根底理论图。
该阵列的典型完结办法运用以等距离队伍装备的贴片天线元件，其选用4×4式规划，意味着总共有16个元件。图2所示为一个小型4×4阵列，其间，贴片天线为辐射器。在地上雷达体系中，这种天线阵列可以变得非常大，或许有超越100,000个元件。
图2.4×4元件列阵的辐射图展现。
在规划时要考虑阵列巨细与每个辐射元件的功率之间的权衡联系，这些元件会影响波束的方向性和有用辐射功率。可以经过调查一些常见的品质因数来猜测天线的功用。一般，天线规划人员会调查天线增益、有用各向辐射功率(EIRP)及Gt/Tn。有一些根底等式可用于描绘以下等式中所示的这些参数。咱们可以看到，天线增益和EIRP与阵列中元件的数量成正比。这或许导致地上雷达运用中常见的大型阵列。
其间
N = 元件数量
Ge =元件增益
Gt = 线增益
Pt = 发射机总功率
Pe = 每个元件的功率
Tn = 噪声温度
相控阵天线规划的另一个要害方面是天线元件的距离。一旦咱们经过设定元件数量确认了体系方针，物理阵列直径很大程度上取决于每个单元构件的巨细约束，其要小于大约二分之一波长，由于这样可以避免栅瓣。栅瓣相当于在无用方向上辐射的能量。这对进入阵列的电子器材提出了严厉的要求，有必要做到体积小、功率低、分量轻。半波长距离在较高频率下对规划特别具有应战性，由于其间每个单元构件的长度会变小。这推高了更高频率IC的集成度，促进封装解决方案变得愈加先进，而且使困难不断添加的散热办理技能得到了简化。
咱们构建整个天线时，阵列规划面对许多应战，包含操控线路由、电源办理、脉冲电路、散热办理、环境考虑要素等。业界有一股巨大的推进力气，促进咱们走向体积小、分量轻的低剖面阵列。传统的电路板结构运用小型PCB板，其上的电子元件笔直馈入天线PCB的反面。在曩昔的20年中，这种办法不断改善，以持续减小电路板的尺度，然后减小天线的深度。下一代规划从这种板结构转向平板式办法，其间，每个IC都有足够高的集成度，可以简略地安装在天线板的反面，大大减小了天线的深度，使它们能更简略地装入便携运用或机载运用傍边。在图3中，左图展现了PCB顶部的金色贴片天线元件，右图显现了PCB底部的天线模仿前端。这仅仅天线的一个子集，其间，天线一端或许发生频率转化级；一起也是一个分配网络，担任从单个RF输入开端路由到整个阵列。明显，集成度更高的IC明显削减了天线规划中的应战，而且跟着天线变得越来越小，越来越多的电子元件被集成到越来越小的空间中，天线规划需求新的半导体技能来协助进步解决方案的可行性。
图3.平板阵列，图中所示为PCB顶部的天线贴片，IC则坐落天线PCB的反面。
数字波束组成与模仿波束组成
曩昔几年规划的大多数相控阵天线都运用了模仿波束成形技能，其间的相位调整是在RF或IF频率下进行的，而且整个天线都选用一组数据转化器。人们越来越重视数字波束成形，其间，每个天线元件都有一组数据转化器，而且相位调整是在FPGA或某些数据转化器中以数字办法完结的。数字波束成形有许多优点，从轻松传输多条波束的才能，乃至还能立刻改动波束的数量。这种杰出的灵敏性在许多运用中都具有极强的吸引力，而且对其遍及化也起着推进效果。数据转化器的不断改善降低了功耗而且扩展到了更高的频率，L波段和S波段的RF采样使这项技能可以用于雷达体系。在考虑模仿与数字波束成形两个选项时，需求考虑多种要素，但剖析一般取决于所需波束数量、功耗和本钱方针。数字波束成形办法因每个元件调配一个数据转化器，所以其功耗一般较高，但是在构成多个波束方面，却极端灵敏、便当。数据转化器还需求更高的动态规模，由于回绝堵塞的波束成形只能在数字化之后完结。模仿波束成形可以支撑多个波束，但每个波束需求额定的相位调整通道。例如，为了构成100波束的体系，需求将1波束体系的RF移相器的数量乘以100，因而数据转化器与相位调整IC的本钱考虑要素或许依据波束的数量而改动。类似地，关于可以运用无源移相器的模仿波束成形办法，其功耗一般较低，但跟着波束数量的添加，假如需求额定的增益级来驱动分配网络，则功耗也将添加。常见的折衷方案是混合式波束成形办法，其间有模仿波束成形子阵列，随后是子阵列信号的一些数字组合。这是业界日益抢手的一个范畴，并将在未来几年持续发展壮大。
半导体技能
规范脉冲雷达体系发射可以从物体上反射的信号，雷达等候回来脉冲以映射天线的视场。在曩昔几年中，这种天线前端解决方案会选用分立式元件，此类元件很或许选用砷化镓技能。用作这些相控阵天线构建模块的IC元件如图4所示。它们包含一个用于调整每个天线元件相位（终究操控天线）的移相器、一个可以使波束逐步变细的衰减器、一个用于传输信号的功率放大器和一个用于接纳信号的低噪声放大器，还有一个用于在发射与接纳之间切换的开关。在曩昔的实施方案中，这些IC中的每一个都或许放在5mm×5mm的封装中，更先进的解决方案则或许用集成式单片单通道GaAs IC来完结该功用。
图4.相控阵天线的典型RF前端示例。
相控阵天线近年来的遍及离不开半导体技能的推进。SiGe BiCMOS、SOI（绝缘体上硅）和体CMOS中的高档节点将用于操控阵列中转向的组合数字电路以及用于完结相位和起伏调整的RF信号途径集成到单个IC傍边。现在，咱们现已可以完结多通道波束成形IC，此类IC可在4通道装备中调整增益和相位，最多可支撑32个通道，可用于毫米波规划。在一些低功耗示例中，依据硅的IC有或许为上述一切功用供给单片解决方案。在高功率运用中，依据氮化镓的功率放大器明显进步了功率密度，以习惯相控阵天线单元构件的需求，传统上这些天线基本上由依据行波管(TWT)的功率放大器或依据较低功率GaAs的功率放大器伺服。在机载运用中，咱们看到了平板架构日益盛行的趋势，由于其一起具有GaN技能的功率附加功率(PAE)优势。GaN还使大型地基雷达可以从由TWT驱动的碟形天线转向依据相控阵的天线技能。咱们现在能运用单片GaN IC，这类IC能供给超越100瓦的功率，PAE超越50％。将这种PAE水平与雷达运用的低占空比相结合，可以确认天线阵列的尺度、分量和本钱。在GaN的纯功率才能以外，与现有GaAs IC解决方案比较的额定优点是尺度减小了。将X波段的6 W至8 W GaAs功率放大器与依据GaN的解决方案进行比较可将占位面积削减50％或以上。在将这些电子器材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明显的含义。
ADI公司的模仿相控阵IC
ADI公司开发了集成模仿波束成形IC，其可以支撑雷达、卫星通讯、5G通讯等一系列运用。ADAR1000 X-/Ku波段波束成形IC是一款4通道器材，掩盖频段为8 GHz至16 GHz，作业于时分双工(TDD)形式，其发射器和接纳器集成在一个IC傍边。该器材是X波段雷达运用以及Ku波段卫星通讯的抱负挑选，在这类运用中，IC可以装备为仅以收发器形式或仅接纳器形式运转。这款4通道IC选用7 mm×7 mm QFN表贴封装，可轻松集成到平板阵列傍边，在发射形式下功耗仅为240 mW/通道，在接纳形式下功耗仅为160 mW/通道。收发器和接纳器通道直接可用，在外部规划上可以与ADI公司供给的前端模块(FEM)合作运用。图5显现了具有全360°相位掩盖的增益和相位操控，可以完结小于2.8°的相位步长和优于31 dB的增益操控。ADAR1000集成片上存储器，可存储多达121个波束状况，其间一个状况包含整个IC的一切相位和增益设置。发射器供给大约19 dB的增益和15 dBm的饱满功率，其间接纳增益约为14 dB。另一个要害方针是增益操控的相位改动，其在20 dB规模内约为3°。相同，在整个360°相位掩盖规模内，相位操控的增益改动约为0.25 dB，缓解了校准难题。
图5.ADAR1000 Tx增益/回波损耗和相位/增益操控，频率 = 11.5 GHz。
该波束成形IC专为模仿相控阵运用或混合阵列架构而开发，混合阵列架构将一些数字波束成形技能与模仿波束成形技能结合了起来。ADI公司供给从天线到位的完好解决方案，包含数据转化器、频率转化、模仿波束成形IC以及前端模块。组合芯片组使ADI公司可以将多种功用组合起来并对IC进行恰当优化，然后轻松地为客户完结天线规划。
图6.了解有关ADI相控阵产品的更多信息。
Keith Benson
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第51卷，第3期
Keith Benson [keith.benson@analog.com]于2002年结业于马萨诸塞大学安姆斯特分校，获电气工程学士学位，2004年结业于加州大学圣塔芭芭拉分校，获电气工程硕士学位。他之前上任于Hittite Microwave，主攻RF无线电子的IC规划。然后转向IC规划工程师团队办理，首要担任无线通讯链路。2014年，ADI公司收买了Hittite Microwave，Keith成为ADI公司RF/微波放大器和相控阵IC的产品线总监。Keith现在具有3项新颖放大器技能方面的美国专利。
