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集成可实现平板相控阵天线设计

2020/11/18 17:21:35
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  【兆亿微波商城】:半导体技术的进步已使相控阵天线在整个行业中迅速发展。这种从机械转向天线向有源电子扫描天线(AESA)的转变始于几年前的军事应用,但最近在移动通信和5G卫星通信中迅速发展。薄型AESA具有诸如快速操纵能力,产生多种辐射方向图的能力以及更高的可靠性等优点;但是,这些天线需要先在IC技术上取得重大进步,然后才能广泛使用。平面相控阵需要以高集成度,低功耗和高效率运行的设备,以便用户可以将这些组件安装在天线阵后面,同时将产生的热量保持在可接受的水平。

  在过去的几年中,抛物面碟形天线已被广泛用于发送和接收方向性很重要的信号。经过多年的优化,其中许多系统运行良好且成本相对较低。这些机械操纵的碟形天线确实具有一些缺点。它们的体积大,转向慢,长期可靠性差,并且仅提供一种所需的辐射方向图或数据流。

  相控阵天线采用电控技术,具有许多优势,例如外形小巧,体积小巧,长期可靠性提高,操纵速度更快以及多波束。相控阵天线设计的一个关键方面是天线元件的间距。大多数阵列所需的大约一半波长的元件间距在较高频率下产生了特别具有挑战性的设计。这驱使高频下的IC越来越集成,封装解决方案也越来越先进。

  人们对于将相控阵天线技术用于各种应用已经引起了浓厚的兴趣。但是,工程师一直受可用IC的限制,无法使其可行。由于IC芯片组的最新发展,情况已不再如此。半导体技术正在朝着先进的硅集成电路发展,我们可以将数字控制,存储器和射频晶体管组合到同一集成电路上。同样,氮化镓(GaN)大大提高了功率放大器的功率密度,以提供更小的占位面积。

  相控阵技术

  业界正在朝着减少体积和重量的薄型阵列发展。传统的木板结构本质上使用小的PCB木板,其上的电子设备垂直馈入天线PCB的背面。在过去的20年中,已经对该方法进行了改进,以不断减小木板的尺寸,从而减小天线的深度。下一代设计已从这种木板架构转变为平板方法。平板设计大大减少了天线的深度,使其更易于安装到便携式或机载应用中。要实现更小的尺寸,则需要在每个IC中进行足够的集成,以将其安装在天线的背面。

  在平面阵列设计中,天线背面可用于IC的空间受到天线元件间距的限制。例如,在高达60°的扫描角度下防止光栅波瓣的最大天线元件间距为0.54λ。图1显示了此最大元素间距(英寸)与频率的关系。随着频率的提高,元件之间的间距变得很小,天线后面的元件几乎没有空间。

  天线元件间距

  集成可实现平板相控阵天线设计

  在图2中,左图显示了PCB顶侧的金贴片天线元件,右图显示了PCB底侧的天线模拟前端。在这些设计中,附加层上的频率转换级和分配网络也是典型的。可以很容易地看出,集成度更高的IC大大减少了以所需间距进行天线设计的挑战。随着天线的缩小和更多电子产品的缩小封装,它需要新的半导体和封装技术来使解决方案可行。

  平板阵列

  集成可实现平板相控阵天线设计

          平板阵列,显示了PCB顶部的天线贴片,以及天线PCB背面的IC。

  半导体技术与封装

  用作相控阵天线构建单元的微波和毫米波(mmW)IC组件如图3所示。在波束成形部分,衰减器调整每个天线元件的功率电平,以便可以将天线方向图的旁瓣减少。移相器调整每个天线元件的相位以控制天线主波束,并且使用开关在发射器和接收器路径之间切换。在前端IC部分,功率放大器用于发送信号,低噪声放大器用于接收信号,最后,另一个开关用于在发送器和接收器之间切换。在过去的实现中,这些IC的每一个均作为独立的封装器件提供。更高级的解决方案可能具有集成的单片单通道砷化镓(GaAs)IC,以实现此功能。未示出,但是在波束形成器之前的大多数阵列中包括无源RF组合器网络,接收器/激励器和信号处理器。

  典型的射频前端

  集成可实现平板相控阵天线设计

       相控阵天线的典型RF前端。

  相控阵天线技术的最新发展已得到半导体技术的进步的帮助。SiGe BiCMOS,绝缘体上硅(SOI)和体CMOS的高级节点已将数字和RF电路结合在一起。这些IC可以执行阵列中的数字任务,并控制RF信号路径,以实现所需的相位和幅度调整。今天,有可能实现在4通道配置中执行增益和相位调整的多通道波束形成IC,以及针对mmW设计的多达32通道。在一些低功耗示例中,基于硅的IC可能是所有先前功能的单片解决方案。在高功率应用中,基于氮化镓的功率放大器显着提高了可装入相控阵天线的单位单元中的功率密度。

  在机载应用中,我们看到了具有GaN技术的功率增加效率(PAE)优势的平板架构的趋势。GaN还使大型地面雷达能够从TWT驱动的碟形天线转变为固态GaN IC驱动的基于相控阵的天线技术。现在,我们已经能够提供单片GaN IC,它们能够以超过50%的PAE输送100 W以上的功率。将这种效率水平与雷达应用的低占空比结合在一起,就可以提供表面贴装解决方案,我们可以在其中散发通过封装基座产生的热量。这些表面贴装功率放大器极大地减小了天线阵列的尺寸,重量和成本。与现有的GaAs IC解决方案相比,除了GaN的纯功率功能外,其他好处还在于尺寸更小。举个例子,与基于GaAs的放大器相比,在X波段使用6 W至8 W的GaN基功率放大器可将占位面积减少50%或更多。当试图将这些电子设备安装到相控阵天线的单位单元中时,这种占位空间的减小非常重要。

  封装技术的进步也使平面天线架构的成本大大降低。高可靠性设计可以使用镀金的,密封的外壳,其内部具有芯片和导线互连。这些外壳在极端环境下可能更坚固,但又大又昂贵。多芯片模块(MCM)将多个MMIC器件以及无源器件组合到一个相对低成本的表面贴装封装中。MCM仍然允许混合使用半导体技术,从而可以在节省大量空间的同时最大化每个设备的性能。例如,在前端IC的情况下,它可能包含PA,LNA和T / R开关。封装底部的散热孔或固态铜块用于散热。商业,军事和太空应用,希望节省成本,

  相控阵波束形成器

  集成模拟波束形成IC(通常称为核心芯片)旨在支持一系列应用,包括雷达,卫星通信和5G电信。这些芯片的主要功能是精确设置每个通道的相对增益和相位,以使信号在天线主波束的所需方向上相干相加。它们正在针对模拟相控阵应用或将一些数字波束成形与模拟波束成形相结合的混合阵列架构而开发。

  所述ADAR1000  X- / Ku波段波束形成IC是覆盖与所述发射器和接收器集成到一个IC在时分双工(TDD)模式8 GHz至16 GHz的操作4通道装置。在接收模式下,输入信号通过四个接收通道,并在一个公共的RF_IO引脚中合并。在发射模式下,RF_IO输入信号被分割并通过四个发射通道。功能图如图4所示。

  功能框图

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       ADAR1000功能框图

  一个简单的4线串行端口接口(SPI)控制片上寄存器。两个地址引脚允许SPI在同一串行线上控制多达四个设备。专用的发送和接收引脚可实现同一阵列中所有核心芯片的同步。单个引脚控制发送和接收模式之间的快速切换。4通道IC封装在7mm×7mm QFN表面贴装封装中,易于集成到平板阵列中。高集成度加上小封装解决了高通道数相控阵列架构中的一些尺寸,重量和功耗难题。该器件在发射模式下每通道仅消耗240 mW /通道,而在接收模式下仅消耗160 mW /通道。

  发送和接收通道直接置于外部,并设计为与前端IC配合。图5显示了器件的增益和相位图。可以实现完整的360°相位覆盖,相位步进小于2.8°,并且增益调整超过30 dB。ADAR1000包含片内存储器,可存储多达121个光束状态,其中一个状态包含整个IC的所有相位和增益设置。发射器在15 dBm的饱和功率下可提供约19 dB的增益,而接收增益约为14 dB。另一个关键指标是增益设置的相位变化,在20 dB范围内约为3°。同样,在整个360°相位范围内,相位的增益变化约为0.25 dB,这减轻了校准的挑战。

  发射

  集成可实现平板相控阵天线设计

      ADAR1000发送增益/回波损耗和相位/增益控制,频率为11.5 GHz

  前端IC ADTR1107是ADAR1000波束形成芯片的补充。ADTR1107是一款紧凑型6 GHz至18 GHz前端IC,具有集成功率放大器,低噪声放大器(LNA)和反射式单刀双掷(SPDT)开关。功能框图如图6所示。

  功能框图

  集成可实现平板相控阵天线设计 

       ADTR1107功能框图

  该前端IC在发射状态下提供25 dBm的饱和输出功率(P SAT)和22 dB的小信号增益,在接收状态下提供18 dB的小信号增益和2.5 dB的噪声系数(包括T / R开关) 。该设备具有用于功率检测的定向耦合器。输入/输出(I / O)内部匹配至50Ω。ADTR1107采用5 mm×5 mm,24引脚,焊盘栅格阵列(LGA)封装。ADTR1107的发送和接收增益及回波损耗如图7所示。

  集成可实现平板相控阵天线设计

DTR1107发送增益/回波损耗和接收增益/回波损耗

  设计为易于与ADAR1000集成。接口原理图如图8所示。四个ADTR1107 IC由单个ADAR1000内核芯片驱动。为简单起见,仅显示了四个ADTR1107 IC之一的连接。

  与ADTR1107前端IC接口

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将ADTR1107前端IC与ADAR1000 X波段和Ku波段波束形成器接口

  提供所有必需的栅极偏置电压和控制信号,从而实现了与前端IC的无缝接口。当ADTR1107 LNA栅极电压自偏置时,该电压也可以通过ADAR1000进行控制。ADTR1107功率放大器的栅极电压也由ADAR1000提供。功率放大器栅极偏置需要四个独立的负栅极电压,因为一个ADAR1000驱动四个ADTR1107。每个电压由一个8位的数模转换器(DAC)设置。可以通过ADAR1000 TR输入或串行外围设备接口写入来确定该电压。置位ADAR1000 TR引脚可在接收和发送模式之间切换ADAR1000的极性。TR_SW_POS引脚可驱动多达四个开关的栅极,并可用于控制ADTR1107 SPDT开关。

  可以将ADTR1107 CPLR_OUT耦合器输出连接至四个ADAR1000 RF检测器输入(图4中的DET1至DET4)之一,以测量发射输出功率。这些基于二极管的RF检测器的输入范围为-20 dBm至+10 dBm。ADTR1107定向耦合器的耦合系数范围从6 GHz时的28 dB到18 GHz时的18 dB。

  可以通过由ADAR1000驱动的栅极电压实现ADTR1107的脉冲,而漏极保持恒定。这比通过漏极产生脉冲更好,因为与低电流的栅极开关相比,这将需要高功率的MOSFET开关和栅极驱动器器件。还应注意,ADAR1000发出足够的功率以使发射模式下的ADTR1107饱和,而ADTR1107设计为在天线短路的情况下仍能承受总反射功率。

  图9显示了ADTR1107和ADAR1000在8 GHz至16 GHz频率范围内的发射和接收模式下的综合性能。在发射模式下,它们提供大约40 dB的增益和26 dBm的饱和功率,而在接收模式下,它们提供约2.9 dB的噪声系数和25 dB的增益。

  传输和接收性能

 集成可实现平板相控阵天线设计

  图10显示了驱动16个ADTR1107芯片的四个ADAR1000芯片。一个简单的4线SPI控制所有片上寄存器。两个地址引脚可在同一串行线上通过SPI控制多达四个ADAR1000芯片。专用的发射和接收负载引脚还提供了同一阵列中所有核心芯片的同步,并且一个引脚控制着发射和接收模式之间的快速切换。

  四个ADAR1000芯片

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  收发器芯片组和其他配套产品

  高度集成的射频收发器芯片有助于提高天线级别的集成度。该ADRV9009 是这种芯片的一个例子。它提供了双重发送器和接收器,集成的合成器以及数字信号处理功能。该器件包括具有高动态范围,宽带,纠错和内置数字滤波功能的最新型直接转换接收器。辅助功能包括模数转换器(ADC)和DAC。还集成了功率放大器和RF前端控制的通用输入/输出。高性能锁相环为发射器和接收器信号路径提供分数N RF频率合成。它具有极低的功耗和全面的掉电模式,可在不使用时进一步节省功耗。ADRV9009封装为12mm×12mm 196球芯片级球栅阵列。

  公司提供用于从天线到位的相控阵天线设计的完整信号链,并针对该应用优化了IC,从而为我们的客户缩短了上市时间。IC技术的进步导致天线设计的技术转变,推动了多个行业的变化。

  文章来自于:analog

      本文作者:杰夫·莱恩


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