为了提高性能，对无线通信和雷达系统的要求越来越高pcb天线架构。只有那些比传统机械操作的碟形天线消耗更少的天线才能实现许多新的应用。除了这些需求外，还需要快速迁移新的威胁或新用户，传输多个数据流，并延长工作寿命超低成本．一些应用需要抵消输入阻塞信号的影响，减少被拦截的概率。正在席卷整个行业的相控天线设计为这些挑战提供了解决方案。先进的半导体技术已经被用来解决相控阵天线的缺点，最终减少这些解决方案的尺寸，重量和功率。
本文将简要介绍现有天线解决方案和电子控制天线的优点。在此基础上，本文将描述半导体技术的发展如何帮助实现改善电子控制天线SWaP-C的目标，然后说明ADI技术如何做到这一点。
介绍
依靠天线发射和接收信号的无线电子系统已经运行了100多年。随着精度、效率和更高层次的度量变得越来越重要，这些电子系统将继续改进和改进。在过去的几年里，碟形天线被广泛用于发射(Tx)和接收(Rx)信号，在这两个方向至关重要的领域，经过多年的优化，这些系统的成本相对较低。运行。这些碟形天线有一个机械臂来旋转辐射方向，但它们也有一些缺点，如转向慢、体积大、长期可靠性差、只有一个辐射模式或数据流满足要求。因此，工程师们转向先进的相控阵天线技术来改进这些特性并添加新的特性。
相控阵天线采用了电动转向机构，与传统的机械转向天线相比，电动转向机构具有高度低、体积小、长期可靠性好、转向速度快、波束多等优点。由于这些优势，相控阵已广泛应用于国防应用、卫星通信、5G通信，包括汽车网络。
相控阵技术
相控阵天线是一组118bet网址多少其中每个单元的辐射方向图在结构上与相邻天线的辐射方向图相结合，形成称为主瓣的有效辐射方向图。主瓣在需要的位置发射辐射能，根据设计，天线负责在不需要的方向上对信号进行破坏性干扰，形成无效信号和旁瓣。该天线阵列的设计目的是使主瓣辐射的能量最大化，同时将副瓣辐射的能量降低到可接受的水平。通过改变馈送到每个天线单元的信号的相位，可以控制辐射的方向。
图1显示了如何通过调整每个天线信号的相位来控制有效波束在目标方向的线阵。因此，阵列中的每个天线都有独立的相位和振幅设置，以形成所需的辐射模式。由于相控阵中没有机械运动部件，因此很容易理解相控阵中光束转向的特性。
图1所示。相控阵基本理论图电子元件．
基于ic的半导体相位调整可以在几纳秒内完成，因此我们可以改变辐射模式的方向，并快速响应新的威胁或用户。同样，我们可以将辐射束变为有效零点，吸收干扰信号，使物体看起来不可见，就像隐形飞机一样。重新定位辐射模式或改变到有效零点，这些改变几乎可以立即完成，因为我们可以使用IC-based设备代替机械部件用电来改变相位设置。相控阵天线相对于机械天线的另一个优点是它可以同时辐射多个波束，从而跟踪多个目标或管理多个数据流的用户数据。这是通过在基带频率上对多个数据流进行数字处理来实现的。
该阵列的典型实现使用贴片天线单元，在4×4设计中排列成等间距的行和列，这意味着总共有16个组件。图2显示了一个小的4 × 4阵列，其中贴片天线是一个散热器。在地面雷达系统中，这样的天线阵列可以变得非常大，可能有超过100,000个组件。
图2。一个4×4组件阵列的辐射模式显示。
设计中考虑了阵列尺寸与各辐射单元功率之间的权衡，从而影响了波束的方向性和有效辐射功率。通过分析一些常见的质量因素，可以预测天线的性能。通常，天线设计者会考虑天线增益、有效定向辐射功率(EIRP)和Gt/Tn。有一些基本的方程可以用来描述这些参数，如下面的方程所示。我们可以看到，天线增益和EIRP与阵列中元件的数量成正比。这可能导致在地面雷达应用中常见的大阵列。
其中包括:
N =分量数
分量增益
线增益
Pt =发射机总功率
Pe =各分量的功率
噪声温度
相控阵天线设计的另一个关键方面是天线单元的间距。一旦我们通过设置组件的数量来确定系统目标，物理阵列的直径高度依赖于每个单元组件的尺寸限制，小于大约半个波长，因为这可以防止光栅波瓣。光栅波瓣对应于向不需要的方向辐射的能量。这对进入阵列的电子设备提出了严格的要求，必须是小的、低功率的和轻的。半波长间距对于高频率的设计尤其具有挑战性，因为每个单元组件的长度变得更小。这推动了整合更高的频率集成电路，使封装解决方案更先进，简化日益困难的热管理技术。
当我们建造整个天线时，阵列设计面临许多挑战，包括控制电路、电源管理、脉冲电路、热管理和环境考虑。这个行业有一个巨大的推动力促使我们转向低调的阵列。传统的电路板结构使用一个小的PCB板，电子元件被垂直地馈电到天线PCB的背面。在过去的20年里，这种方法不断改进，不断减小板的尺寸，从而减小天线的深度。下一代的设计将从这种板结构转向平板方法，每个IC有足够高的集成度，可以很容易地安装在天线板的背面，大大减少天线的深度，使它们更容易装入便携式应用程序或板载应用程序。
在图3中，左图是PCB顶部的金色贴片天线组件，右图是PCB底部的天线模拟前端。这只是天线的一个子集，其中频率转换级可以发生在天线的一端;它也是一个分配网络，负责从单一的射频输入到整个数组。很明显，更多集成ic大大降低了天线设计的挑战，而且随着天线变得越来越小，越来越多的电子元件被集成到越来越小的空间中，天线设计需要新的半导体技术来帮助提高解决方案的可行性。
图3。天线贴片位于PCB的顶部，集成电路位于天线PCB的背面的平板阵列。
数字波束合成与模拟波束合成
过去几年设计的大多数相控阵天线采用模拟波束形成技术，在射频或中频进行相位调整，整个天线使用一组数据转换器。人们对数字波束形成越来越感兴趣，其中每个天线元件有一组数据转换器和相位调整在数字中完成FPGA或者一些数据转换器。数字波束形成有许多优点，从能够容易地传输多个波束，甚至立即改变波束的数量。这种优越的灵活性在许多应用程序中都极具吸引力，也推动了它的普及。数据转换器的不断改进降低了功耗，并扩展到更高的频率，l波段和s波段系统中的RF采样允许该技术用于雷达系统。
在考虑模拟和数字波束形成选项时，有许多因素需要考虑，但分析通常取决于所需的波束数量、功耗和成本目标。数字波束形成方法具有很高的功耗，因为每个组件都与数据转换器相结合，但它在形成多波束方面非常灵活和方便。数据转换器还需要更高的动态范围，因为拒绝阻塞的波束形成只能在数字化后才能完成。模拟波束形成可以支持多个波束，但每个波束需要一个额外的相位调整通道。例如，要形成一个100波束系统，1波束系统的射频移相器的数量需要乘以100，因此数据转换器和相位调整IC的成本考虑可能会随着波束的数量而变化。
类似地，对于可以利用无源移相器的模拟波束形成方法，它们的功耗通常很低，但随着波束数量的增加，如果需要额外的增益级来驱动配电网，功耗也会增加。一种常见的折衷方法是混合波束形成方法，其中有一个模拟波束形成子阵，然后是子阵信号的一些数字组合。这是行业中一个越来越受欢迎的领域，并将在未来几年继续增长。
半导体技术
一个标准的脉冲雷达系统发射一个可以被物体反射的信号，然后雷达等待返回的脉冲来绘制天线的视场。在过去的几年里，这种天线前端解决方案已经采用了离散组件，其中很可能使用砷化镓技术。作为这些相控阵天线的构建块的IC组件如图所示。
图4。相控阵天线的典型射频前端示例。
它们包括一个用于调整每个天线元件(最终控制天线)的相位的移相器，一个可以使波束变锥形的衰减器，一个用于发射信号的功率放大器，以及一个用于接收信号的低噪声放大器。还有一个开关，用于传输和接收之间的切换。在过去的实施例中，每个这些IC可以放置在一个5mm x 5mm封装中，更先进的解决方案可以通过集成单片单通道砷化镓IC实现此功能。
相控阵天线近年来的普及与半导体技术的进步是分不开的。SiGe BiCMOS、SOI (Silicon On绝缘体上的硅)和大块CMOS中的先进节点将阵列中用于导向的组合数字电路和用于相位和幅度调整的RF信号路径集成到单个集成电路中。我们已经能够实现多通道波束形成ic，可以在4通道配置中调整增益和相位，并支持多达32个通道的毫米波设计。
在一些低功耗的例子中，基于硅的ic很可能提供上述所有功能的单芯片解决方案。在大功率应用中，基于gan的功率放大器显著提高了功率密度，以适应相控阵天线单元组件的需求，传统上基于行波管(TWT)的功率放大器或基于低功率GaAs功率放大器的伺服。
在机载应用中，由于GaN技术的功率增加效率(PAE)优势，我们已经看到了平板架构的增长趋势。氮化镓还能使大型地基雷达从行波管驱动的碟形天线转向相控阵天线技术。我们目前使用的单个GaN IC可以提供100瓦以上的功率，PAE超过50%。将这种PAE水平与雷达应用的低占空比相结合，决定了天线阵列的尺寸、重量和成本。
除了氮化镓的纯功率能力之外，与现有的砷化镓IC解决方案相比的188金宝愽另一个好处是尺寸减小。与基于gan的解决方案相比，x波段6w到8w砷化镓功率放大器可以减少50%或更多的足迹。这种足迹的减少意义重大，当这些组装电子元件变成相控阵天线的单元组件。
ADI模拟相绝缘体IC
ADI开发了集成模拟波束形成ic，支持雷达、卫星通信和5G通信等一系列应用。ADAR1000X - / ku波段波束形成集成电路是一种4-channel设备,涵盖乐队从8 GHz 16兆赫和运作在时分双工(TDD)方式的发射机和接收机集成到一个集成电路。该设备是理想的x波段雷达应用和ku波段卫星通信,其中IC可以配置为收发器模式或仅接收器模式。封装在7mm × 7mm的QFN表面贴装封装中，这个4通道的IC可以很容易地集成到一个平板阵列中，在发送模式仅消耗240 mW/通道，在接收模式仅消耗160 mW/通道。收发器和接收器通道直接可用，可以与AD I的前端模块(FEM)一起使用。
图5显示了完全360°相位覆盖的增益和相位控制，使相位步长小于2.8°，增益控制优于31 dB。ADAR1000集成了片上存储器，可存储多达121种光束状态，其中一种状态包含了整个集成电路的所有相位和增益设置，发射机提供约19 dB增益和15 dBm饱和功率，接收增益约14 dB。另一个关键指标是增益控制的相位变化，在20 dB范围内大约为3°。同样，在整个360°相位覆盖范围内，相位控制增益大约变化0.25 dB，减轻了校准挑战。
图5。ADAR1000在频率= 11.5 GHz时Tx增益/返回损耗和相位/增益控制。
为模拟相控阵应用或混合阵列架构开发的混合阵列架构结合了一些数字波束形成技术与模拟波束形成。Analog Devices提供从天线到位置的完整解决方案，包括数据转换器、频率转换、模拟波束形成ic和前端模块。组合芯片组使Analog Devices能够组合多种功能并优化IC，以便为客户轻松实现天线设计。
