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(jiǎn)史開(kāi)始，討論架構(gòu)趨勢(shì)和挑戰(zhàn)，深入了解我們對(duì)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(kāi)始。我們是怎么到這里來(lái)的？

早期的大部分相控陣工作都是為雷達(dá)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，因此考慮雷達(dá)天線實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)的雷達(dá)開(kāi)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(guò)線性頻率調(diào)制（LFM）和相位碼等波形選擇來(lái)實(shí)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(hào)帶寬直接相關(guān)。這一切都在1960年代被記錄和理解。有人說(shuō)雷達(dá)是脈沖壓縮天生的。隨著對(duì)數(shù)學(xué)的理解，擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)仍在繼續(xù)，并最終導(dǎo)致了現(xiàn)代相控陣。

第一個(gè)實(shí)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(gè)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(hào)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(gè)全模擬系統(tǒng)。在接收時(shí)，可以制作幾種光束圖案，但該過(guò)程復(fù)雜且昂貴，因此通常僅限于幾個(gè)光束。單脈沖雷達(dá)的天線系統(tǒng)可以通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)。邁向固態(tài)相控陣的第一步是引入分布在每個(gè)元件上的發(fā)射/接收（T/R）模塊，最初的實(shí)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(lái)自天線的射頻能量（發(fā)射或接收）方向的環(huán)行器或開(kāi)關(guān)組成。

目前正在進(jìn)行的過(guò)渡是向數(shù)字波束成形相控陣的遷移?；旌霞軜?gòu)由模擬波束成形子陣列組成，然后是每個(gè)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(gè)晶片數(shù)字相控陣包括每個(gè)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(dòng)者?？梢栽谠S多不同的方向上同時(shí)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(diǎn)。由于系統(tǒng)級(jí)可編程性，每個(gè)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(guò)如圖 2 所示的圖示可以最好地理解這一點(diǎn)。在模擬波束成形中，每個(gè)元件后面的RF域中都有一個(gè)移相器和增益控制，通常在T/R模塊之后。波束方向是通過(guò)在組合之前控制每個(gè)元件的RF相位來(lái)形成的?？梢詰?yīng)用幅度錐度來(lái)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(huì)執(zhí)行類似的過(guò)程。每個(gè)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(gè)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(shí)創(chuàng)建許多天線波束方向圖。這是通過(guò)復(fù)制數(shù)字波束成形時(shí)間延遲和求和結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它是一種并行處理形式，可創(chuàng)建多個(gè)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(shí)踐中，可實(shí)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(shí)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(gè)波束帶寬之間進(jìn)行權(quán)衡，同時(shí)保持對(duì)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器很少，因此數(shù)字開(kāi)發(fā)工作非常易于管理。挑戰(zhàn)在于必須為每個(gè)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(diǎn)故障。然而，對(duì)于低成本、低波束數(shù)的系統(tǒng)，模擬波束成形是一個(gè)不錯(cuò)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(shì)在于可以靈活地同時(shí)在多個(gè)方向上使用多個(gè)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(gè)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(gè)天線需要多個(gè)同步波束時(shí)，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(shí)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(shí)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(kāi)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(chǎng)需求。還有低損耗、高功率開(kāi)關(guān)，可在發(fā)送和接收之間實(shí)現(xiàn)快速前端切換。當(dāng)適合客戶應(yīng)用時(shí)，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(lái)改進(jìn)用于HPA和LNA的GaN技術(shù)。有幾個(gè)廣為人知的主要激勵(lì)因素，例如更高功率密度和更高擊穿電壓的能力。對(duì)于相控陣應(yīng)用，還有額外的激勵(lì)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(lái)了更高的生存功率，并且在某些情況下，可以消除對(duì)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(duì)于模擬波束成形器，我們最近發(fā)布了ADAR1000。這是一個(gè) 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(guò)柵極控制的HPA/LNA脈沖的獨(dú)特功能。通過(guò)控制柵極而不是漏極來(lái)證明快速開(kāi)/關(guān)。這種方法無(wú)需切換通過(guò)漏極的高電流。我們發(fā)布了有關(guān)柵極開(kāi)關(guān)的可能電路技術(shù)的應(yīng)用筆記，以及ADAR1000中有助于簡(jiǎn)化T/R模塊周圍控制電路的功能。

對(duì)于接收器和波形發(fā)生器，目前正在實(shí)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(diǎn)和缺點(diǎn)，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(lái)創(chuàng)建支持所有架構(gòu)的IC。圖 3 說(shuō)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(hào)鏈。

超外差方法已經(jīng)存在了100年，已經(jīng)得到了很好的驗(yàn)證，可以通過(guò)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(duì)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(shì)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(jiǎn)化頻率規(guī)劃，消除混頻級(jí)，并降低伴隨的敏捷LO復(fù)雜性。

直接采樣方法長(zhǎng)期以來(lái)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(shí)現(xiàn)大輸入帶寬的障礙。如今，高速轉(zhuǎn)換器可用于通過(guò)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(shì)。隨著下一代FinFET CMOS節(jié)點(diǎn)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(duì)未來(lái)的RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作，對(duì)I/Q信號(hào)進(jìn)行采樣，從而增加用戶帶寬，而不會(huì)遇到交錯(cuò)的挑戰(zhàn)。多年來(lái)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(shí)現(xiàn)可接受的鏡像抑制、LO泄漏和直流偏移水平。近年來(lái)，整個(gè)直接變頻信號(hào)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(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍的改進(jìn)。當(dāng)組合兩個(gè)RF信號(hào)時(shí)，如果RF信號(hào)的幅度和相位匹配，并且每個(gè)通道中的噪聲不相關(guān)，則將有一個(gè)10logN的組合增益，從而改善動(dòng)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(shí)沒(méi)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(lái)自跨通道共享的任何內(nèi)容，包括時(shí)鐘、LO、電源等。

對(duì)于大型陣列，此改進(jìn)具有重要價(jià)值。例如，如果噪聲分量全部不相關(guān)，則100個(gè)通道可以提供20 dB的動(dòng)態(tài)范圍改進(jìn)。我們 開(kāi)發(fā) 了 自己 的 多 通道 RF 測(cè)試 臺(tái)， 以確保 客戶 使用 我們 的 組件 和 我們 自己 的 內(nèi)部 設(shè)計(jì) 工作 都 了解 這些 參數(shù)。

您能否詳細(xì)說(shuō)明設(shè)計(jì)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(gè)基本的物理挑戰(zhàn)是元件間距作為波長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)元件的間距中是切實(shí)可行的。隨著頻率增加到 X 波段 （10 GHz），通過(guò)高級(jí)集成具有挑戰(zhàn)性，但有可能實(shí)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(shí)用，4：1波束成形器（如ADAR1000）可以將接收器/激勵(lì)器數(shù)量減少4個(gè)，并為RF電子器件分配額外的空間。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，我們將繼續(xù)整合信號(hào)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(jí)封裝）和集成T/R模塊中的集成RF設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)代相控陣實(shí)施所需的集成。

相控陣設(shè)計(jì)涵蓋了工程的許多方面，從射頻設(shè)計(jì)、配電、高速數(shù)字設(shè)計(jì)、先進(jìn)封裝和數(shù)字信號(hào)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(duì)于射頻/微波行業(yè)來(lái)說(shuō)是非常獨(dú)特的，也是系統(tǒng)集成商開(kāi)發(fā)相控陣天線系統(tǒng)的推動(dòng)者。在這里，我們介紹了趨勢(shì)和一些注意事項(xiàng)。

審核編輯：郭婷