IC集成支持平板相控陣天線設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使相控陣天線在整個(gè)行業(yè)中的普及成為可能。這種從機(jī)械轉(zhuǎn)向天線到有源電子掃描天線（AESA）的轉(zhuǎn)變始于多年前的軍事應(yīng)用，但最近在衛(wèi)星通信移動(dòng)和5G通信方面迅速發(fā)展。薄型AESA具有快速轉(zhuǎn)向能力、產(chǎn)生多種輻射圖的能力和更高的可靠性等優(yōu)點(diǎn);然而，這些天線在廣泛使用之前需要IC技術(shù)的重大進(jìn)步。平面相控陣要求設(shè)備具有高集成度、低功耗和高效率，以便用戶(hù)可以將這些組件安裝在天線陣列后面，同時(shí)將產(chǎn)生的熱量保持在可接受的水平。本文將簡(jiǎn)要介紹相控陣芯片組的進(jìn)步如何使平面相控陣天線成為可能，然后舉例說(shuō)明。

介紹

在過(guò)去的幾年中，拋物面碟形天線已被廣泛用于發(fā)送和接收方向性很重要的信號(hào)。其中許多系統(tǒng)運(yùn)行良好，經(jīng)過(guò)多年的優(yōu)化，成本相對(duì)較低。這些機(jī)械轉(zhuǎn)向碟形天線確實(shí)有一些缺點(diǎn)。它們物理尺寸大，轉(zhuǎn)向速度慢，長(zhǎng)期可靠性較差，并且它們僅提供一種所需的輻射圖或數(shù)據(jù)流。

相控陣天線采用電控，具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如外形更小、體積更小、長(zhǎng)期可靠性更高、轉(zhuǎn)向速度更快和多波束。相控陣天線設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面是天線元件的間距。大多數(shù)陣列所需的大約半波長(zhǎng)元件間距在更高頻率下創(chuàng)造了特別具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)。這推動(dòng)了更高頻率的IC越來(lái)越集成，封裝解決方案變得更加先進(jìn)。

人們對(duì)將相控陣天線技術(shù)用于各種應(yīng)用有著濃厚的興趣。然而，工程師一直受到可用IC的限制，無(wú)法使其可行。由于IC芯片組的最新發(fā)展，情況已不再如此。半導(dǎo)體技術(shù)正朝著先進(jìn)的硅IC發(fā)展，我們可以將數(shù)字控制、存儲(chǔ)器和RF晶體管組合到同一個(gè)IC上。此外，氮化鎵（GaN）顯著提高了功率放大器的功率密度，從而提供了更小的尺寸。

相控陣技術(shù)

業(yè)界正在大力推動(dòng)低調(diào)陣列，這些陣列消耗的體積和重量更少。傳統(tǒng)的木板架構(gòu)基本上使用小型PCB木板，其上的電子設(shè)備垂直饋入天線PCB的背面。在過(guò)去的20年中，這種方法得到了改進(jìn)，以不斷減小木板的尺寸，從而減少天線的深度。下一代設(shè)計(jì)從這種木板架構(gòu)轉(zhuǎn)向平板方法。平板設(shè)計(jì)顯著減小了天線的深度，使其更容易安裝到便攜式或機(jī)載應(yīng)用中。要實(shí)現(xiàn)更小的尺寸，需要在每個(gè)IC中集成足夠的尺寸，以將它們安裝在天線的背面。

在平面陣列設(shè)計(jì)中，天線背面的IC可用空間受到天線元件間距的限制。例如，在高達(dá) 60° 掃描角度下，防止光柵瓣的最大天線元件間距為 0.54 λ。圖1顯示了最大元件間距（以英寸為單位）與頻率的關(guān)系。隨著頻率的提高，元件之間的間距變得非常小，天線后面的組件幾乎沒(méi)有空間。

圖1.天線元件間距可防止光柵波瓣在 60° 離軸時(shí)出現(xiàn)。

在圖2中，左圖顯示了PCB頂部的金色貼片天線元件，右圖顯示了PCB底部天線的模擬前端。在這些設(shè)計(jì)中，附加層上的變頻級(jí)和配電網(wǎng)絡(luò)也很典型。很容易看出，集成度更高的IC顯著減少了以所需間距布置天線設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。隨著天線變得越來(lái)越小，更多的電子設(shè)備封裝在更小的尺寸中，它需要新的半導(dǎo)體和封裝技術(shù)來(lái)幫助使解決方案可行。

圖2.顯示 PCB 頂部的天線補(bǔ)丁以及天線 PCB 背面的 IC 的平板陣列。

半導(dǎo)體技術(shù)與封裝

用作相控陣天線構(gòu)建模塊的微波和毫米波（mmW）IC元件如圖3所示。在波束成形部分，衰減器調(diào)整每個(gè)天線元件的功率電平，從而減少天線方向圖的旁瓣。移相器調(diào)整每個(gè)天線元件的相位以控制天線主波束，并使用開(kāi)關(guān)在發(fā)射器和接收器路徑之間切換。在前端IC部分，功率放大器用于發(fā)射信號(hào)，低噪聲放大器用于接收信號(hào)，最后，另一個(gè)開(kāi)關(guān)用于在發(fā)射器和接收器之間切換。在過(guò)去的實(shí)現(xiàn)中，這些IC中的每一個(gè)都作為單獨(dú)的封裝器件提供。更先進(jìn)的解決方案可以采用集成的單片單通道砷化鎵（GaAs）IC來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。未顯示，但在波束成型器之前的大多數(shù)陣列中都包含無(wú)源RF合路器網(wǎng)絡(luò)，接收器/激勵(lì)器和信號(hào)處理器。

圖3.相控陣天線的典型射頻前端。

最近相控陣天線技術(shù)的普及得益于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步。SiGe BiCMOS、絕緣體上硅（SOI）和體CMOS中的高級(jí)節(jié)點(diǎn)結(jié)合了數(shù)字和RF電路。這些IC可以執(zhí)行陣列中的數(shù)字任務(wù)，以及控制RF信號(hào)路徑，以實(shí)現(xiàn)所需的相位和幅度調(diào)整。如今，可以實(shí)現(xiàn)多通道波束成形IC，在4通道配置中執(zhí)行增益和相位調(diào)整，以及針對(duì)mmW設(shè)計(jì)的多達(dá)32個(gè)通道。在一些低功耗示例中，硅基IC可以作為上述所有功能的單片解決方案。在高功率應(yīng)用中，基于氮化鎵的功率放大器顯著提高了相控陣天線單元的功率密度。這些放大器傳統(tǒng)上使用基于行波管（TWT）的技術(shù)或相對(duì)低功耗的基于GaAs的IC。

在機(jī)載應(yīng)用中，我們看到平板架構(gòu)的趨勢(shì)是具有GaN技術(shù)的功率附加效率（PAE）優(yōu)勢(shì)。氮化鎵還使大型地面雷達(dá)從由TWT驅(qū)動(dòng)的碟形天線轉(zhuǎn)變?yōu)橛晒虘B(tài)氮化鎵IC驅(qū)動(dòng)的基于相控陣的天線技術(shù)。我們現(xiàn)在能夠擁有單片GaN IC，能夠以超過(guò)50%的PAE提供超過(guò)100 W的功率。將這種效率水平與雷達(dá)應(yīng)用的低占空比相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)表面貼裝解決方案，我們可以散發(fā)通過(guò)封裝底座產(chǎn)生的熱量。這些表面貼裝PA大大降低了天線陣列的尺寸、重量和成本。除了GaN的純功率能力之外，與現(xiàn)有的GaAs IC解決方案相比，其尺寸減小。例如，與基于GaAs的放大器相比，X波段的6 W至8 W氮化鎵功率放大器可將占位面積減少50%或更多。當(dāng)試圖將這些電子設(shè)備安裝到相控陣天線的單元單元中時(shí)，這種尺寸的減少意義重大。

封裝技術(shù)的進(jìn)步也使平面天線架構(gòu)的成本低得多。高可靠性設(shè)計(jì)可能使用鍍金、密封外殼，內(nèi)部有芯片和電線互連。這些外殼在極端環(huán)境中可能更堅(jiān)固，但體積大且成本高昂。多芯片模塊 （MCM） 將多個(gè) MMIC 器件以及無(wú)源器件組合成成本相對(duì)較低的表面貼裝封裝。MCM仍然允許混合半導(dǎo)體技術(shù)，以便可以最大限度地提高每個(gè)器件的性能，同時(shí)節(jié)省大量空間。例如，在前端IC的情況下，它可能包含PA、LNA和T/R開(kāi)關(guān)。封裝底部的熱通孔或?qū)嵭你~塊用于散熱。為了節(jié)省成本，商業(yè)、軍事和空間應(yīng)用現(xiàn)在在許多應(yīng)用中使用成本低得多的表面貼裝封裝替代方案。

相控陣波束成形器 IC

集成模擬波束成形IC，通常稱(chēng)為核心芯片，旨在支持一系列應(yīng)用，包括雷達(dá)、衛(wèi)星通信和5G電信。這些芯片的主要功能是精確設(shè)置每個(gè)通道的相對(duì)增益和相位，以便信號(hào)在天線主波束的所需方向上相干地相干添加。它們正在為模擬相控陣應(yīng)用或混合陣列架構(gòu)而開(kāi)發(fā)，將一些數(shù)字波束成形與模擬波束成形相結(jié)合。

ADAR1000 X/Ku波段波束成形IC是一款4通道器件，頻率為8 GHz至16 GHz，工作在時(shí)分雙工（TDD）模式，發(fā)射器和接收器集成在一個(gè)IC中。在接收模式下，輸入信號(hào)通過(guò)四個(gè)接收通道，并組合在一個(gè)公共RF_IO引腳中。在發(fā)射模式下，RF_IO輸入信號(hào)被分割并通過(guò)四個(gè)發(fā)射通道。功能圖如圖 4 所示。

圖4.ADAR1000功能框圖

一個(gè)簡(jiǎn)單的4線串行端口接口（SPI）控制片內(nèi)寄存器。兩個(gè)地址引腳允許SPI控制同一串行線路上多達(dá)四個(gè)器件。專(zhuān)用的發(fā)送和接收引腳提供同一陣列中所有內(nèi)核芯片的同步。單個(gè)引腳控制發(fā)射和接收模式之間的快速切換。4 通道 IC 采用 7 mm × 7 mm QFN 表面貼裝封裝，可輕松集成到平板陣列中。高集成度加上小封裝解決了高通道數(shù)相控陣架構(gòu)中的一些尺寸、重量和功耗挑戰(zhàn)。該器件在發(fā)射模式下每通道的功耗僅為240 mW，在接收模式下每通道功耗僅為160 mW。

發(fā)射和接收通道直接從外部連接，設(shè)計(jì)用于與前端IC配接。圖5顯示了該器件的增益和相位圖?？蓪?shí)現(xiàn)完整的 360° 相位覆蓋，相位步長(zhǎng)小于 2.8°，增益調(diào)整超過(guò) 30 dB。ADAR1000內(nèi)置片內(nèi)存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)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)射器提供約19 dB增益和15 dBm飽和功率，其中接收增益約為14 dB。另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是增益設(shè)置的相位變化，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)，增益隨相位的變化約為0.25 dB，這減輕了校準(zhǔn)挑戰(zhàn)。

圖5.ADAR1000發(fā)射增益/回波損耗和相位/增益控制，其中頻率= 11.5 GHz。

ADAR1000波束成形芯片的補(bǔ)充是前端IC ADTR1107。ADTR1107是一款緊湊的6 GHz至18 GHz前端IC，集成功率放大器、低噪聲放大器（LNA）和反射式單刀雙擲（SPDT）開(kāi)關(guān)。功能框圖如圖6所示。

圖6.ADTR1107功能框圖

該前端IC提供25 dBm的飽和輸出功率（P坐）和發(fā)射狀態(tài)下的22 dB小信號(hào)增益，以及接收狀態(tài)下的18 dB小信號(hào)增益和2.5 dB噪聲系數(shù)（包括T/R開(kāi)關(guān)）。該器件具有用于功率檢測(cè)的定向耦合器。輸入/輸出 （I/O） 在內(nèi)部匹配至 50 Ω。ADTR1107采用5 mm×5 mm、24引腳焊盤(pán)柵格陣列（LGA）封裝。ADTR1107的發(fā)射和接收增益及回波損耗如圖7所示。

圖7.ADTR1107發(fā)送增益/回波損耗和接收增益/回波損耗。

ADTR1107設(shè)計(jì)用于與ADAR1000輕松集成。接口原理圖如圖8所示。四個(gè)ADTR1107 IC由單個(gè)ADAR1000內(nèi)核芯片驅(qū)動(dòng)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，僅顯示了四個(gè)ADTR1107 IC中的一個(gè)的連接。

圖8.將 ADTR1107 葉端 IC 與 ADAR1000 X 波段和 Ku 波段波束成形器接口。

ADAR1000提供所有必需的柵極偏置電壓和控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)與前端IC的無(wú)縫接口。雖然ADTR1107 LNA柵極電壓是自偏置的，但也可以通過(guò)ADAR1000控制電壓。ADTR1107功率放大器的柵極電壓也由ADAR1000提供。功率放大器柵極偏置需要四個(gè)獨(dú)立的負(fù)柵極電壓，因?yàn)橐粋€(gè)ADAR1000驅(qū)動(dòng)四個(gè)ADTR1107。每個(gè)電壓由一個(gè)8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）設(shè)置。該電壓可通過(guò)ADAR1000 TR輸入或串行外設(shè)接口寫(xiě)入來(lái)置位。置位ADAR1000 TR引腳可在接收和發(fā)送模式之間切換ADAR1000的極性。TR_SW_POS引腳可驅(qū)動(dòng)多達(dá)四個(gè)開(kāi)關(guān)的柵極，并可用于控制ADTR1107 SPDT開(kāi)關(guān)。

ADTR1107 CPLR_OUT耦合器輸出可以連接回四個(gè)ADAR1000 RF檢波器輸入（圖4中的DET1至DET4）之一，以測(cè)量發(fā)射輸出功率。這些基于二極管的RF檢波器的輸入范圍為?20 dBm至+10 dBm。ADTR1107定向耦合器的耦合因數(shù)范圍為6 GHz時(shí)的28 dB至18 GHz時(shí)的18 dB。

ADTR1107的脈沖可以通過(guò)ADAR1000驅(qū)動(dòng)的柵極電壓實(shí)現(xiàn)，同時(shí)漏極保持恒定。這優(yōu)于通過(guò)漏極的脈沖，因?yàn)檫@需要高功率MOSFET開(kāi)關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)器器件，而不是低電流的柵極開(kāi)關(guān)。還應(yīng)該注意的是，ADAR1000輸出的功率足以使ADTR1107在發(fā)射模式下飽和，而ADTR1107設(shè)計(jì)用于在天線短路的情況下承受總反射功率。

ADTR1107和ADAR1000在8 GHz至16 GHz頻率范圍內(nèi)發(fā)射和接收模式下的綜合性能如圖9所示。在發(fā)射模式下，它們提供約40 dB的增益和26 dBm的飽和功率，而在接收模式下，它們提供約2.9 dB的噪聲系數(shù)和25 dB的增益。

圖9.ADTR1107與ADAR1000耦合的發(fā)送和接收性能（單通道）。

圖10顯示了驅(qū)動(dòng)16個(gè)ADTR1107芯片的4個(gè)ADAR1000芯片。一個(gè)簡(jiǎn)單的4線SPI控制所有片內(nèi)寄存器。兩個(gè)地址引腳允許SPI在同一串行線路上控制多達(dá)四個(gè)ADAR1000芯片。專(zhuān)用發(fā)射和接收負(fù)載引腳還提供同一陣列中所有內(nèi)核芯片的同步，單個(gè)引腳控制發(fā)射和接收模式之間的快速切換。

圖 10.4個(gè)ADAR1000芯片驅(qū)動(dòng)16個(gè)ADTR1107芯片。

圖 11.詳細(xì)了解ADI相控陣功能

收發(fā)器芯片組和其他配套產(chǎn)品

高度集成的射頻收發(fā)器芯片有助于提高天線級(jí)的集成度。ADRV9009就是這種芯片的一個(gè)例子。它提供雙發(fā)射器和接收器、集成合成器和數(shù)字信號(hào)處理功能。該器件包括一個(gè)先進(jìn)的直接變頻接收器，內(nèi)置高動(dòng)態(tài)范圍、寬帶寬、糾錯(cuò)和數(shù)字濾波功能。輔助功能包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和DAC。還集成了用于功率放大器和RF前端控制的通用輸入/輸出。高性能鎖相環(huán)為發(fā)射器和接收器信號(hào)路徑提供小數(shù)N分頻RF頻率合成。它提供非常低的功耗和全面的省電模式，可在不使用時(shí)進(jìn)一步節(jié)省功耗。ADRV9009采用12 mm×12 mm、196引腳芯片級(jí)球柵陣列封裝。

ADI公司為相控陣天線設(shè)計(jì)提供從天線到比特的完整信號(hào)鏈，并針對(duì)該應(yīng)用優(yōu)化了IC，從而加快了客戶(hù)的上市時(shí)間。IC技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了天線設(shè)計(jì)技術(shù)的變化，推動(dòng)了多個(gè)行業(yè)的變革。

審核編輯：郭婷