IC集成推動實(shí)現(xiàn)平板相控陣天線設(shè)計(jì)

作者：ADI公司??? Jeff Lane，產(chǎn)品營銷工程師

摘要

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步推動了相控陣天線在整個(gè)行業(yè)的普及。早在幾年前，軍事應(yīng)用中已經(jīng)開始出現(xiàn)從機(jī)械轉(zhuǎn)向天線到有源電子掃描天線(AESA)的轉(zhuǎn)變，但直到最近，才在衛(wèi)星通信和5G通信中取得快速發(fā)展。小型AESA具有多項(xiàng)優(yōu)勢，包括能夠快速轉(zhuǎn)向、生成多種輻射模式、具備更高的可靠性；但是，在IC技術(shù)取得重大進(jìn)展之前，這些天線都無法廣泛使用。平面相控陣需要采用高度集成、低功耗、高效率的設(shè)備，以便用戶將這些組件安裝在天線陣列之后，同時(shí)將發(fā)熱保持在可接受的水平。本文將簡要描述相控陣芯片組的發(fā)展如何推動平面相控陣天線的實(shí)現(xiàn)，并采用示例輔助解釋和說明。

簡介

在過去幾年里，我們在非常重視方向性的場合廣泛使用拋物線碟形天線來發(fā)射和接收信號。其中許多系統(tǒng)表現(xiàn)出色，在經(jīng)過多年優(yōu)化之后保持了相對較低的成本。但這些機(jī)械轉(zhuǎn)向碟形天線存在一些缺點(diǎn)。它們體積龐大，操作緩慢，長期可靠性較差，而且只能提供一種所需的輻射模式或數(shù)據(jù)流。

相控陣天線采用電信號轉(zhuǎn)向機(jī)制，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如高度低，體積小、更好的長期可靠性、快速轉(zhuǎn)向、多波束等。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隔。大部分陣列都需要大約半個(gè)波長的元件間隔，因此在更高頻率下需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，由此推動IC在更高頻率下，實(shí)現(xiàn)更高程度的集成，越加先進(jìn)的封裝解決方案。

人們對將相控陣天線技術(shù)應(yīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚的興趣。但是，受限于目前可用的IC，工程師無法讓相控陣天線成為現(xiàn)實(shí)。近期開發(fā)的IC芯片組成功解決了這一問題。半導(dǎo)體技術(shù)正朝著先進(jìn)的硅IC方向發(fā)展，這讓我們可以將數(shù)字控制、存儲器和RF晶體管組合到同一個(gè)IC中。此外，氮化鎵(GaN)顯著提高了功率放大器的功率密度，可以幫助大幅減小占位面積。

相控陣技術(shù)

在行業(yè)向體積和重量更小的小型陣列轉(zhuǎn)變期間，IC起到了重大的推動作用。傳統(tǒng)的電路板結(jié)構(gòu)基本使用小型PCB板，其上的電子元件垂直饋入天線PCB的背面。在過去的20年中，這種方法不斷改進(jìn)，以持續(xù)減小電路板的尺寸，從而減小天線的深度。下一代設(shè)計(jì)從這種板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向平板式方法，平板設(shè)計(jì)大大減小了天線的深度，使它們能更容易地裝入便攜應(yīng)用或機(jī)載應(yīng)用當(dāng)中。要實(shí)現(xiàn)更小的尺寸，需要每個(gè)IC足夠程度的集成，以便將它們裝入天線背面。

在平面陣列設(shè)計(jì)中，天線背面可用于IC的空間受到天線元件間距的限制。舉例來說，在高達(dá)60°的掃描角度下，要防止出現(xiàn)光柵波瓣，最大天線元件間隔需要達(dá)到0.54 λ。圖1顯示了最大元件間距（英寸）和頻率的關(guān)系。隨著頻率提高，元件之間的間隔變得非常小，由此擠占了天線背后組件所需的空間。

圖1.阻止在偏離瞄準(zhǔn)線60°時(shí)產(chǎn)生光柵波瓣的天線元件間隔

在圖2中，左圖展示了PCB頂部的金色貼片天線元件，右圖顯示了PCB底部的天線模擬前端。在這些設(shè)計(jì)中，在其他層上部署變頻級和分配網(wǎng)絡(luò)也是非常典型的。很明顯可以看出，采用更多集成IC可以大幅降低在所需空間內(nèi)部署天線設(shè)計(jì)的難度。在我們將更多電子元件封裝到更小尺寸內(nèi)，使得天線尺寸減小之后，我們需要采用新的半導(dǎo)體和封裝技術(shù)，讓解決方案變得可行。

圖2.平面陣列，圖中所示為PCB頂部的天線貼片，IC則位于天線PCB的背面

半導(dǎo)體技術(shù)和封裝

圖3中顯示了作為相控陣天線構(gòu)建模塊的微波和毫米波(mmW) IC組件。在波束成型部分，衰減器調(diào)整每個(gè)天線元件的功率電平，以減少天線方向圖中的柵瓣。移相器調(diào)整每個(gè)天線元件的相位以引導(dǎo)天線主波束，并且使用開關(guān)在發(fā)射器和接收器路徑之間切換。在前端IC部分，使用功率放大器來發(fā)射信號，使用低噪聲放大器來接收信號，最后，使用另一個(gè)開關(guān)在發(fā)射器和接收器之間進(jìn)行切換。在過去的配置中，每個(gè)IC都作為獨(dú)立的封裝器件提供。更先進(jìn)的解決方案使用集成單芯片單通道砷化鎵(GaAs) IC來實(shí)現(xiàn)這一功能。對于大部分陣列，在波束成型器之前都配有無源RF組合器網(wǎng)絡(luò)、接收器/激勵器和信號處理器，這一點(diǎn)圖中未顯示。

圖3.相控陣天線的典型RF前端。

相控陣天線技術(shù)近年來的普及離不開半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的推動。SiGe BiCMOS、絕緣體上硅(SOI)和體CMOS中的高級節(jié)點(diǎn)將數(shù)字和RF電路合并到一起。這些IC可以執(zhí)行陣列中的數(shù)字任務(wù)，以及控制RF信號路徑，以實(shí)現(xiàn)所需的相位和幅度調(diào)整。如今，我們已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)多通道波束成型IC，此類IC可在4通道配置中調(diào)整增益和相位，最多可支持32個(gè)通道，可用于毫米波設(shè)計(jì)。在一些低功耗示例中，基于硅的IC有可能為上述所有功能提供單芯片解決方案。在高功率應(yīng)用中，基于氮化鎵的功率放大器顯著提高了功率密度，可以安裝到相控陣天線的單元構(gòu)件中。這些放大器傳統(tǒng)上一般使用基于行波管(TWT)的技術(shù)或基于相對低功耗的GaAs的IC。

在機(jī)載應(yīng)用中，我們看到了平板架構(gòu)日益盛行的趨勢，因?yàn)槠渫瑫r(shí)具有GaN技術(shù)的功率附加效率(PAE)優(yōu)勢。GaN還使大型地基雷達(dá)能夠從由TWT驅(qū)動的碟形天線轉(zhuǎn)向由固態(tài)GaN IC驅(qū)動、基于相控陣的天線技術(shù)。我們目前能使用單芯片GaN IC，這類IC能提供超過100 W的功率，PAE超過50％。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)表貼解決方案，以散除外殼基座中產(chǎn)生的熱量。這些表貼式功率放大器大大減小了天線陣列的尺寸、重量和成本。在GaN的純功率能力以外，與現(xiàn)有GaAs IC解決方案相比的額外好處是尺寸減小了。舉例來說，相比基于GaAs的放大器，X波段上6 W至8 W的基于GaN的功率放大器占位面積可減少50％或以上。在將這些電子器件裝配到相控陣天線的單元構(gòu)件中時(shí)，這種占位面積的減小有著顯著的意義。

封裝技術(shù)的發(fā)展也大大降低了平面天線架構(gòu)的成本。高可靠性設(shè)計(jì)可能使用鍍金氣密外殼，芯片和線纜在其內(nèi)部互連。這些外殼在極端環(huán)境下更堅(jiān)固，但體積大，且成本高昂。多芯片模塊(MCM)將多個(gè)MMIC器件和無源器件集成到成本相對較低的表貼封裝中。MCM仍然允許混合使用半導(dǎo)體技術(shù)，以便最大化每個(gè)器件的性能，同時(shí)大幅節(jié)省空間。例如，前端IC中可能包含PA、LNA和T/R開關(guān)。封裝基座中的熱通孔或固體銅廢料被用于散熱。為了節(jié)省成本，許多商業(yè)、軍事和航空航天應(yīng)用都開始使用成本更低的表貼封裝選項(xiàng)。

相控陣波束成型IC

集成式模擬波束成型IC一般被稱為核心芯片，旨在為包括雷達(dá)、衛(wèi)星通信和5G通信在內(nèi)的廣泛應(yīng)用提供支持。這些芯片的主要功能是準(zhǔn)確設(shè)置每個(gè)通道的相對增益和相位，以在天線主波束所需的方向增加信號。該波束成型IC專為模擬相控陣應(yīng)用或混合陣列架構(gòu)而開發(fā)，混合陣列架構(gòu)將一些數(shù)字波束成型技術(shù)與模擬波束成型技術(shù)結(jié)合起來。

ADAR1000 X-/Ku波段波束成型IC是一款4通道器件，覆蓋頻段為8 GHz至16 GHz，采用時(shí)分雙工(TDD)模式，其發(fā)射器和接收器集成在一個(gè)IC當(dāng)中。在接收模式下，輸入信號通過四個(gè)接收通道并組合在通用RF_IO引腳中。在發(fā)射模式下，RF_IO輸入信號被分解并通過四個(gè)發(fā)射通道。功能框圖如圖4所示。

簡單的4線式串行端口接口(SPI)可以控制所有片內(nèi)寄存器。兩個(gè)地址引腳可對同一串行線纜上的最多四個(gè)器件進(jìn)行SPI控制。專用發(fā)射和接收引腳可同步同一陣列中的所有內(nèi)核芯片，且單引腳可控制發(fā)射和接收模式之間的快速切換。這款4通道IC采用7 mm×7 mm QFN表貼封裝，可輕松集成到平板陣列當(dāng)中。高度集成，再加上小型封裝，可以解決通道數(shù)量較多的相控陣架構(gòu)中一些尺寸、重量和功率挑戰(zhàn)。此器件在發(fā)射模式下功耗僅為240 mW/通道，在接收模式下功耗僅為160 mW/通道。

發(fā)射和接收通道直接可用，在外部設(shè)計(jì)上可以與前端IC配合使用。圖5顯示了器件的增益和相位圖。具有全360°相位覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)小于2.8°的相位步長和優(yōu)于30 dB的增益調(diào)整。ADAR1000集成片上存儲器，可存儲多達(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)射器提供大約19 dB的增益和15 dBm的飽和功率，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)置內(nèi)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)，相位的增益變化約為0.25 dB，緩解了校準(zhǔn)難題。

圖4.ADAR1000功能框圖

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

前端IC ADTR1107是ADAR1000波束成型芯片的補(bǔ)充。ADTR1107是一款緊湊型的6 GHz至18 GHz前端IC，包含集成式功率放大器、低噪聲放大器(LNA)，以及一個(gè)反射性的單刀雙擲(SPDT)開關(guān)。功能框圖如圖6所示。

圖6.ADTR1107功能框圖

這款前端IC在發(fā)射狀態(tài)下提供25 dBm飽和輸出功率(PSAT)和22 dB小信號增益，在接收狀態(tài)下提供18 dB小信號增益和2.5 dB噪聲系數(shù)（包括T/R開關(guān)）。該器件配有雙向耦合器，用于檢測功率。輸入/輸出(I/O)內(nèi)部匹配至50 Ω。ADTR1107采用5 mm × 5 mm、24引腳基板柵格陣列(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的發(fā)射增益/回波損耗和接收增益/回波損耗

ADTR1107專用于和ADAR1000輕松集成。接口原理圖見圖8。四個(gè)ADTR1107 IC由一個(gè)ADAR1000內(nèi)核芯片驅(qū)動。出于簡單考慮，圖上只顯示其中一個(gè)ADTR1107 IC的連接。

ADAR1000提供所需的所有柵級偏置和控制信號，使其與前端IC無縫連接。雖然ADTR1107 LNA柵級電壓自偏置，我們也可以從ADAR1000控制電壓。ADTR1107功率放大器的柵級電壓也由ADAR1000提供。由于1個(gè)ADAR1000驅(qū)動4個(gè)ADTR1107，所以偏置功率放大器電壓需要4個(gè)獨(dú)立的負(fù)極柵級電壓。每個(gè)電壓都由一個(gè)8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)設(shè)置。此電壓可由ADAR1000 TR輸入或串行外設(shè)接口寫入置位。置位ADAR1000 TR引腳會在接收和發(fā)射模式之間切換ADAR1000的極性。TR_SW_POS引腳可以驅(qū)動多達(dá)4個(gè)開關(guān)的柵級，且可用于控制ADTR1107 SPDT開關(guān)。

ADTR1107 CPLR_OUT耦合器輸出可以與4個(gè)ADAR1000 RF檢波器輸入（圖4中的DET1至DET4）中的一個(gè)回連，以測量發(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定向耦合器的耦合系數(shù)從6 GHz時(shí)的28 dB到18 GHz時(shí)的18 dB。

可以通過ADAR1000驅(qū)動的柵級電壓實(shí)現(xiàn)ADTR1107脈沖，同時(shí)保持漏極恒定。相比通過漏極脈沖，這種方法更優(yōu)化，因?yàn)檫@會用到高功率MOSFET開關(guān)和柵級驅(qū)動器器件與柵級開關(guān)，后者采用低電流。還應(yīng)注意，在發(fā)射模式下ADAR1000提供足夠功率會令A(yù)DTR1107飽和，在天線短路時(shí)ADTR1107可以承受總反射功率。

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

圖10所示為4個(gè)ADAR1000芯片驅(qū)動16個(gè)ADTR1107芯片。簡單的四線式SPI控制所有片內(nèi)寄存器。兩個(gè)地址引腳可對同一串行線纜上的最多四個(gè)ADAR1000芯片進(jìn)行SPI控制。專用發(fā)射和接收負(fù)載引腳也可同步同一陣列中的所有內(nèi)核芯片，且單引腳可控制發(fā)射和接收模式之間的快速切換。

圖8.將ADTR1107前端IC與ADAR1000 X波段和Ku波段波束成型器連接

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

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

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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)器芯片可以提升天線層面的集成。ADRV9009就是這種芯片一個(gè)很好的例子。它提供雙發(fā)射器和接收器、集成式頻率合成器和數(shù)字信號處理功能。該器件采用先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)換接收器，具有高動態(tài)范圍、寬帶寬、錯(cuò)誤校準(zhǔn)和數(shù)字濾波功能。還集成了多種輔助功能，比如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，以及用于功率放大器的通用輸入/輸出以及RF前端控制。高性能鎖相環(huán)可同時(shí)針對發(fā)射器和接收器信號路徑提供小數(shù)N分頻RF頻率合成。它提供極低功耗和全面的關(guān)斷模式，以在不使用時(shí)進(jìn)一步省電。ADRV9009采用12 mm × 12 mm、196引腳芯片級球柵陣列封裝。

ADI公司為相控陣天線設(shè)計(jì)提供從天線到位的整個(gè)信號鏈，且針對此應(yīng)用優(yōu)化IC，以幫助客戶加快上市時(shí)間。IC技術(shù)的進(jìn)步促使天線技術(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)變，推動了多個(gè)行業(yè)的變革。

　　審核編輯：湯梓紅