相控陣雷達技術(shù)中的射頻應(yīng)用設(shè)計

介紹無線行業(yè)的快速發(fā)展推動了射頻電子器件的集成化和小型化。許多應(yīng)用程序現(xiàn)在都從這些成就中獲益。將信號鏈的大部分集成到完整的集成電路（IC）中，特別是實現(xiàn)了相控陣天線。新系統(tǒng)隨著模擬波束成形或數(shù)字波束成形的實現(xiàn)而激增，提供從射頻到高速轉(zhuǎn)換器、收發(fā)器、PLL和電源的天線到比特解決方案的完整產(chǎn)品組合，以及先進的集成，創(chuàng)造了系統(tǒng)架構(gòu)專業(yè)知識。本文將互聯(lián)網(wǎng)上以各種形式分散的一些常規(guī)詢問總結(jié)為更全面的討論。從相控陣演變的簡要歷史開始，討論體系結(jié)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，這些鏈接提供了有關(guān)各種主題的更多細節(jié)。從相控陣的發(fā)展開始。早期的相控陣工作大多是為雷達應(yīng)用而開發(fā)的，因此考慮到雷達天線實現(xiàn)的演變，可以很好地了解現(xiàn)代數(shù)字波束形成天線是如何構(gòu)思的。出于必要，在第二次世界大戰(zhàn)期間和之后，雷達的重大發(fā)展得到了加速。

圖1 相控陣的發(fā)展從一開始使用旋轉(zhuǎn)天線的雷達到最近的全元件數(shù)字相控陣，技術(shù)一直在不斷進步。脈沖壓縮是一種重要的雷達處理技術(shù)。脈沖壓縮是通過諸如線性頻率調(diào)制（LFM）和相位碼之類的波形選擇來實現(xiàn)的，其中在匹配濾波器的輸出處的脈沖比發(fā)送的脈沖短得多。脈沖壓縮的量與信號帶寬直接相關(guān)。到20世紀60年代，這一切都被記錄下來并得到了理解。有人說雷達誕生于脈沖壓縮。隨著數(shù)學(xué)的理解，擴展的實現(xiàn)開發(fā)仍在繼續(xù)，并最終形成了現(xiàn)代相控陣。第一種實現(xiàn)方式具有在管放大器中產(chǎn)生高功率RF的旋轉(zhuǎn)天線盤。隨后，第一批相控陣天線取代了轉(zhuǎn)盤天線，這些天線用于非常高性能的雷達。保留了管式高功率放大器（HPA），發(fā)射信號流為：管式HPA→ 波導(dǎo)分布→ 移相器→ 輻射元件。

波束形成是一個全模擬系統(tǒng)。在接收時，可以制作幾個波束圖案，但該過程復(fù)雜且昂貴，因此通常僅限于幾個波束。單脈沖雷達的天線系統(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的發(fā)射/接收（T/R）模塊，第一批實現(xiàn)仍然使用具有類似后端處理的模擬波束成形。T/R模塊由一個用于發(fā)射的固態(tài)HPA、一個用于接收的低噪聲放大器（LNA）以及一個循環(huán)器或開關(guān)組成，以控制來自天線的RF能量（發(fā)射或接收）的方向。

目前正在進行的轉(zhuǎn)變是向數(shù)字波束成形相控陣的遷移。由模擬波束形成子陣列組成的混合架構(gòu)，然后是每個子陣列后面的接收器和ADC，允許數(shù)字波束形成在子陣列模式內(nèi)形成許多波束。每個元件的數(shù)字相控陣包括每個元件后面的接收器和波形發(fā)生器。每個單元的數(shù)字波束成形相控陣是真正的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(yīng)地控制天線方向圖，包括零點。由于系統(tǒng)級的可編程性，每個單元的數(shù)字相控陣已經(jīng)成為許多天線架構(gòu)師的目標。你能進一步解釋模擬和數(shù)字波束形成之間的區(qū)別嗎？這一點最好通過圖2這樣的插圖來理解。在模擬波束成形中，通常在T/R模塊之后，每個元件后面的RF域中都有移相器和增益控制。

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)用幅度錐來幫助天線旁瓣電平。在數(shù)字波束成形中，除了它是全數(shù)字的之外，還進行了類似的過程。有完整的接收器，每個元件都有ADC，波束成形是在數(shù)字域中完成的，相移是在每個信道上數(shù)字應(yīng)用的，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)流中獨立編程。從理論上講，這可以擴展到大量的光束。在實踐中，可實現(xiàn)的極限通常由數(shù)字處理能力來設(shè)置。為了將處理與實際數(shù)據(jù)速率綁定，一些系統(tǒng)定義了波束帶寬乘積。該定義允許在波束數(shù)量和每個波束的帶寬之間進行權(quán)衡，同時保持對系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)速率的約束。

圖2：模擬波束成形與數(shù)字波束成形模擬波束成形的一個優(yōu)點是實現(xiàn)的簡單性。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器很少，因此數(shù)字開發(fā)工作非常容易管理。挑戰(zhàn)在于模擬波束成形結(jié)構(gòu)必須針對每個天線波束重復(fù)。在波束成形之后也存在單點故障。然而，對于低成本、低波束計數(shù)的系統(tǒng)，模擬波束成形是一個很好的選擇，并且將是成本受限的天線系統(tǒng)中的主要候選者。數(shù)字波束成形的優(yōu)點在于在多個方向上同時具有多個可編程天線波束的靈活性。

不幸的是，這些挑戰(zhàn)是巨大的，包括大量的數(shù)字數(shù)據(jù)、同步以及每個輻射元件背后所需的電子設(shè)備的物理尺寸限制。盡管存在挑戰(zhàn)，但當需要來自單個天線的多個同時波束時，它仍然是一種具有成本效益的架構(gòu)。一種折衷方案是混合使用模擬和數(shù)字波束形成。在這種情況下，元件在模擬域中形成子陣列，然后波束可以在子陣列圖案中以數(shù)字方式形成。這可以被認為是一種混合架構(gòu)，并且在需要數(shù)字波束形成時也非常流行，但由于各種挑戰(zhàn)或系統(tǒng)成本限制，全數(shù)字波束形成是不可行的。

你能描述一下你在射頻前端的一些工作嗎？首先，讓我們定義射頻前端。這通常包括T/R模塊以及任何模擬波束成形。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、高功率的開關(guān)，可實現(xiàn)發(fā)射和接收之間的快速前端切換。當適合客戶應(yīng)用時，可以將其集成到T/R模塊中作為完整的解決方案。該行業(yè)正在做大量工作來改進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。相控陣應(yīng)用也有其他激勵因素。在較高的工作電壓下，配電中的電流較少，從而提高了系統(tǒng)的整體效率。較高的擊穿電壓為LNA帶來了較高的生存功率，并且在某些情況下，可以消除對前端限制器的需要，即使GaN LNA噪聲系數(shù)略高于GaAs LNA，前端限制器也可以導(dǎo)致總體較低的接收器噪聲系數(shù)。

對于模擬波束形成器，我們最近發(fā)布了ADAR1000。這是一個X波段和Ku波段，4:1模擬波束形成器。除了所有所需的模擬波束形成功能外，還包括通過門控制進行HPA/LNA脈沖的獨特功能。已經(jīng)通過控制柵極而不是漏極來證明快速導(dǎo)通/截止。這種方法消除了通過漏極切換高電流的需要。

我們發(fā)布了關(guān)于門開關(guān)可能的電路技術(shù)的應(yīng)用說明，以及ADAR1000的功能，以幫助簡化T/R模塊周圍的控制電路。對于接收器和波形發(fā)生器，目前正在實施的一些架構(gòu)是什么？接收器和波形發(fā)生器架構(gòu)大致可以分為三種變體：外差、直接轉(zhuǎn)換和直接采樣。根據(jù)應(yīng)用程序的不同，每種體系結(jié)構(gòu)的選擇都有優(yōu)缺點。我們將所有這些視為根據(jù)目標而定，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展示了不同的體系結(jié)構(gòu)。盡管只示出了接收器，但是拓撲結(jié)構(gòu)也適用于波形發(fā)生器信號鏈。

超外差方法已經(jīng)存在了100年，已經(jīng)得到了很好的證明，并且可以通過適當?shù)念l率規(guī)劃提供卓越的性能。不幸的是，這也是最復(fù)雜的。它通常需要最大的功率、相對于可用帶寬最大的物理占地面積，以及在大的分數(shù)帶寬下可能非常具有挑戰(zhàn)性的頻率規(guī)劃。它也是最不可編程的，除非增加硬件以在各種濾波器和LO路徑之間切換。

一個新的趨勢是現(xiàn)代高速轉(zhuǎn)換器和收發(fā)器提供了在更高IF頻率下采樣的能力。使用這些最新版本可以簡化頻率計劃，消除混合階段，并降低伴隨的敏捷LO復(fù)雜性。長期以來，人們一直在尋求直接采樣方法，但它面臨著以與直接RF采樣相稱的速度操作轉(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S波段及更高波段的直接采樣，參考文獻中列出了幾種。對于最新的高速轉(zhuǎn)換器來說，在模擬輸入帶寬高于6GHz的情況下以GSPS速率采樣是新的。在新興的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中，更高頻率的直接采樣將繼續(xù)是一種值得關(guān)注的趨勢。隨著下一代FinFET CMOS節(jié)點繼續(xù)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，有可能對未來的RF系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生重大影響。直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)提供了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器帶寬的最有效使用。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在第一奈奎斯特（Nyquist）中工作，其中性能最佳并且低通濾波更容易。這兩個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器一起工作，對I/Q信號進行采樣，從而增加了用戶帶寬，而沒有交織的挑戰(zhàn)。多年來困擾直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)的主要挑戰(zhàn)是保持I/Q平衡，以達到可接受的圖像抑制、LO泄漏和直流偏移水平。近年來，整個直接轉(zhuǎn)換信號鏈的高級集成，結(jié)合數(shù)字校準，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)。在性能合適的情況下，這些解決方案將是可用的高度集成、經(jīng)濟的解決方案。在數(shù)字波束形成陣列中分配波形發(fā)生器和接收器還有其他好處嗎？分布式射頻電子的系統(tǒng)工程目標之一是在信道組合時實現(xiàn)動態(tài)范圍的改進。當組合兩個RF信號時，如果RF信號在幅度和相位上匹配，并且如果每個信道中的噪聲不相關(guān)，則將存在10logN的組合增益，從而產(chǎn)生動態(tài)范圍的改善。

如果信道中的噪聲是相關(guān)的，那么當它們被組合時沒有改善。因此，系統(tǒng)工程的努力之一是跟蹤相關(guān)和不相關(guān)的噪聲貢獻者。相關(guān)噪聲可以來自信道之間共享的任何東西，包括時鐘、LOs、功率等。對于大型陣列來說，這種改進具有重要價值。例如，如果噪聲分量全部不相關(guān)，則100個信道可以提供20dB的動態(tài)范圍改善。

我們已經(jīng)開發(fā)了自己的多通道射頻測試臺，以確保這些參數(shù)能夠為我們的客戶使用我們的組件和我們自己的內(nèi)部設(shè)計工作所理解。你能詳細說明設(shè)計師在數(shù)字波束形成相控陣中遇到的物理尺寸挑戰(zhàn)嗎？一個基本的物理挑戰(zhàn)是作為波長函數(shù)的元件間距，其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的光柵波瓣。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，在每個元件間隔內(nèi)安裝電子設(shè)備是可行的。隨著頻率增加到X波段（10GHz），這是具有挑戰(zhàn)性的，但有了先進的集成，這是可能的。在Ka樂隊，這相當具有挑戰(zhàn)性。隨著頻率的增加，混合架構(gòu)可以變得更加實用，4:1波束形成器，如ADAR1000，可以將接收器/激勵器數(shù)量減少4，并允許為RF電子設(shè)備分配額外的空間。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，我們正在繼續(xù)整合信號鏈的完整部分。多通道集成收發(fā)器和轉(zhuǎn)換器為減少物理占地面積的射頻采樣奠定了基礎(chǔ)。此外，單片RFIC、SiP（封裝中的系統(tǒng)）和集成T/R模塊中的集成RF設(shè)計都在不斷進步。多通道高速轉(zhuǎn)換器或收發(fā)器與RF先進技術(shù)的結(jié)合實現(xiàn)了現(xiàn)代相控陣實現(xiàn)所需的集成。

編輯：黃飛