討論相控陣應(yīng)用的RF電子器件

本文將一些散落在互聯(lián)網(wǎng)上以各種形式進(jìn)行的例行查詢總結(jié)為更全面的討論。我們從相控陣演進(jìn)的簡史開始，討論架構(gòu)趨勢和挑戰(zhàn)，深入了解我們對最新發(fā)展的看法，并提供文章和網(wǎng)絡(luò)廣播的鏈接，以提供有關(guān)各種主題的更多詳細(xì)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(dá)應(yīng)用開發(fā)的，因此考慮雷達(dá)天線實現(xiàn)的演變，可以很好地了解現(xiàn)代數(shù)字波束成形天線是如何構(gòu)思的。出于必要，在第二次世界大戰(zhàn)期間和之后加速了雷達(dá)的重大發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)后，今天用于波形和雷達(dá)處理的大部分?jǐn)?shù)學(xué)都是在各種政府實驗室和組織中制定的。

圖1.相控陣的發(fā)展。從使用旋轉(zhuǎn)碟形天線實現(xiàn)的雷達(dá)開始到最新的每元件數(shù)字相控陣，技術(shù)不斷進(jìn)步。

一種重要的雷達(dá)處理技術(shù)是脈沖壓縮。脈沖壓縮通過線性頻率調(diào)制（LFM）和相位碼等波形選擇來實現(xiàn)，其中匹配濾波器輸出端的脈沖比發(fā)射脈沖短得多。脈沖壓縮量與信號帶寬直接相關(guān)。這一切都在1960年代被記錄和理解。有人說雷達(dá)是脈沖壓縮天生的。隨著對數(shù)學(xué)的理解，擴(kuò)展的實現(xiàn)開發(fā)仍在繼續(xù)，并最終導(dǎo)致了現(xiàn)代相控陣。

第一個實現(xiàn)是在電子管放大器中產(chǎn)生高功率RF的旋轉(zhuǎn)天線天線。然后，旋轉(zhuǎn)天線被第一個相控陣天線取代，該天線用于超高性能雷達(dá)。電子管高功率放大器（HPA）仍然存在，發(fā)射信號流為：電子管HPA→波導(dǎo)分布→移相器→輻射元件。波束成形是一個全模擬系統(tǒng)。在接收時，可以制作幾種光束圖案，但該過程復(fù)雜且昂貴，因此通常僅限于幾個光束。單脈沖雷達(dá)的天線系統(tǒng)可以通過這種方式實現(xiàn)。邁向固態(tài)相控陣的第一步是引入分布在每個元件上的發(fā)射/接收（T/R）模塊，最初的實現(xiàn)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(fā)射的固態(tài) 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(fā)射或接收）方向的環(huán)行器或開關(guān)組成。

目前正在進(jìn)行的過渡是向數(shù)字波束成形相控陣的遷移。混合架構(gòu)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(shù)字波束成形在子陣列模式內(nèi)形成許多波束。每個晶片數(shù)字相控陣包括每個晶片后面的接收器和波形發(fā)生器。每元件數(shù)字波束成形相控陣是真正軟件定義天線方向圖的推動者?？梢栽谠S多不同的方向上同時形成許多波束，并且可以自適應(yīng)控制天線方向圖，包括零點。由于系統(tǒng)級可編程性，每個元件數(shù)字相控陣已成為許多天線架構(gòu)師的目標(biāo)。

您能進(jìn)一步解釋一下模擬波束成形和數(shù)字波束成形之間的區(qū)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?？梢詰?yīng)用幅度錐度來幫助天線旁瓣電平。在數(shù)字波束成形中，除了全是數(shù)字之外，還會執(zhí)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(shù)字域中完成，相移以數(shù)字方式應(yīng)用于每個通道，加權(quán)和形成天線方向圖。由于波束是以數(shù)字方式形成的，因此可以在相同的ADC數(shù)據(jù)上同時創(chuàng)建許多天線波束方向圖。這是通過復(fù)制數(shù)字波束成形時間延遲和求和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。它是一種并行處理形式，可創(chuàng)建多個波束，這些波束可從同一ADC數(shù)據(jù)流獨(dú)立編程。理論上，這可以擴(kuò)展到非常大量的光束。在實踐中，可實現(xiàn)的限制通常由數(shù)字處理能力設(shè)定。為了將處理與實際數(shù)據(jù)速率綁定，一些系統(tǒng)定義了波束帶寬積。該定義允許在波束數(shù)量和每個波束帶寬之間進(jìn)行權(quán)衡，同時保持對系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)速率的限制。

圖2.模擬與數(shù)字波束成形。

模擬波束成形的一個優(yōu)點是實現(xiàn)簡單。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器很少，因此數(shù)字開發(fā)工作非常易于管理。挑戰(zhàn)在于必須為每個天線波束重復(fù)模擬波束成形結(jié)構(gòu)。波束成形后也存在單點故障。然而，對于低成本、低波束數(shù)的系統(tǒng)，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(tǒng)的主要候選者。

數(shù)字波束成形的優(yōu)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(zhàn)是巨大的，包括大量的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、同步以及每個輻射元件后面所需的電子設(shè)備的物理尺寸限制。盡管存在挑戰(zhàn)，但當(dāng)單個天線需要多個同步波束時，它仍然是一種經(jīng)濟(jì)高效的架構(gòu)。

折衷方案是混合使用模擬和數(shù)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(nèi)以數(shù)字方式形成波束。這可以被認(rèn)為是一種混合架構(gòu)，在需要數(shù)字波束成形時也非常流行，但由于任何不同的挑戰(zhàn)或系統(tǒng)成本限制，全數(shù)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(fā)所有這些領(lǐng)域的產(chǎn)品。HPA和LNA定期發(fā)布以支持市場需求。還有低損耗、高功率開關(guān)，可在發(fā)送和接收之間實現(xiàn)快速前端切換。當(dāng)適合客戶應(yīng)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(yè)正在做大量工作來改進(jìn)用于HPA和LNA的GaN技術(shù)。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(yīng)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(tǒng)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(shù)略高于 GaAs LNA，前端限幅器也能降低整體接收器噪聲系數(shù)。

對于模擬波束成形器，我們最近發(fā)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(dú)特功能。通過控制柵極而不是漏極來證明快速開/關(guān)。這種方法無需切換通過漏極的高電流。我們發(fā)布了有關(guān)柵極開關(guān)的可能電路技術(shù)的應(yīng)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(fā)生器，目前正在實施哪些架構(gòu)？

接收器和波形發(fā)生器架構(gòu)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(jié)構(gòu)選擇都有優(yōu)點和缺點，具體取決于應(yīng)用程序。我們認(rèn)為所有這些器件都有一席之地，具體取決于目標(biāo)，并根據(jù)人們?nèi)绾问褂眠@些部件來創(chuàng)建支持所有架構(gòu)的IC。圖 3 說明了不同的體系結(jié)構(gòu)。雖然僅顯示了接收器，但拓?fù)湟策m用于波形發(fā)生器信號鏈。

超外差方法已經(jīng)存在了100年，已經(jīng)得到了很好的驗證，可以通過適當(dāng)?shù)念l率規(guī)劃提供卓越的性能。不幸的是，它也是最復(fù)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(guī)劃，這在大分?jǐn)?shù)帶寬下可能非常具有挑戰(zhàn)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(xiàn)代高速轉(zhuǎn)換器和收發(fā)器能夠以更高的IF頻率進(jìn)行采樣。使用這些最新版本可以簡化頻率規(guī)劃，消除混頻級，并降低伴隨的敏捷LO復(fù)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(yùn)行轉(zhuǎn)換器和實現(xiàn)大輸入帶寬的障礙。如今，高速轉(zhuǎn)換器可用于通過S波段及更高頻段的直接采樣，參考文獻(xiàn)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(zhuǎn)換器的新功能。高頻的直接采樣將繼續(xù)成為新興數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器關(guān)注的趨勢。隨著下一代FinFET CMOS節(jié)點不斷提高晶體管工作速度并降低寄生電容，新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系列將成為可能，并有可能對未來的RF系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生重大影響。

直接變頻架構(gòu)可最有效地利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器帶寬。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作，對I/Q信號進(jìn)行采樣，從而增加用戶帶寬，而不會遇到交錯的挑戰(zhàn)。多年來一直困擾直接變頻架構(gòu)的主要挑戰(zhàn)是保持I/Q平衡，以實現(xiàn)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(jìn)集成與數(shù)字校準(zhǔn)相結(jié)合，克服了這些挑戰(zhàn)。我們的收發(fā)器產(chǎn)品線基于直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)。在性能合適的地方，這些將是集成度最高、最經(jīng)濟(jì)的解決方案。

在數(shù)字波束成形陣列中分配波形發(fā)生器和接收器還有其他好處嗎？

分布式RF電子器件的系統(tǒng)工程目標(biāo)之一是在通道組合時實現(xiàn)動態(tài)范圍的改進(jìn)。當(dāng)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(guān)，則將有一個10logN的組合增益，從而改善動態(tài)范圍。如果通道中的噪聲是相關(guān)的，則它們組合在一起時沒有改善。因此，系統(tǒng)工程工作之一是跟蹤相關(guān)與不相關(guān)的噪聲貢獻(xiàn)因素。相關(guān)噪聲可以來自跨通道共享的任何內(nèi)容，包括時鐘、LO、電源等。

對于大型陣列，此改進(jìn)具有重要價值。例如，如果噪聲分量全部不相關(guān)，則100個通道可以提供20 dB的動態(tài)范圍改進(jìn)。我們 開發(fā) 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(nèi)部 設(shè)計 工作 都 了解 這些 參數(shù)。

您能否詳細(xì)說明設(shè)計人員在數(shù)字波束成形相控陣中遇到的物理尺寸挑戰(zhàn)？

一個基本的物理挑戰(zhàn)是元件間距作為波長的函數(shù)，隨著工作頻率的增加而減小。許多系統(tǒng)將元件間距設(shè)置為波長的一半或更小，以避免天線方向圖中出現(xiàn)光柵瓣。在L波段和S波段，利用最新的收發(fā)器或直接采樣轉(zhuǎn)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(zhàn)性，但有可能實現(xiàn)。在Ka波段，這是非常具有挑戰(zhàn)性的。隨著頻率的增加，混合架構(gòu)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(shù)量減少4個，并為RF電子器件分配額外的空間。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，我們將繼續(xù)整合信號鏈的完整部分。多通道集成收發(fā)器和轉(zhuǎn)換器為RF采樣奠定了基礎(chǔ)，減少了物理尺寸。此外，單片RFIC、SiP（系統(tǒng)級封裝）和集成T/R模塊中的集成RF設(shè)計都在不斷發(fā)展。多通道高速轉(zhuǎn)換器或收發(fā)器與RF進(jìn)步相結(jié)合，可實現(xiàn)現(xiàn)代相控陣實施所需的集成。

相控陣設(shè)計涵蓋了工程的許多方面，從射頻設(shè)計、配電、高速數(shù)字設(shè)計、先進(jìn)封裝和數(shù)字信號處理。ADI公司產(chǎn)品組合的廣度涵蓋了所有這些領(lǐng)域。在一家公司中提供全面的產(chǎn)品對于射頻/微波行業(yè)來說是非常獨(dú)特的，也是系統(tǒng)集成商開發(fā)相控陣天線系統(tǒng)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