摘要

為(wei)提(ti)高(gao)性(xing)能(neng)，無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)和(he)雷(lei)達(da)係(xi)統(tong)對(dui)天(tian)線(xian)架(jia)構(gou)的(de)需(xu)求(qiu)不(bu)斷(duan)增(zeng)長(chang)。隻(zhi)有(you)那(na)些(xie)功(gong)耗(hao)低(di)於(yu)傳(chuan)統(tong)機(ji)械(xie)操(cao)縱(zong)碟(die)形(xing)天(tian)線(xian)的(de)天(tian)線(xian)才(cai)能(neng)實(shi)現(xian)許(xu)多(duo)新(xin)的(de)應(ying)用(yong)。除(chu)了(le)這(zhe)些(xie)要(yao)求(qiu)以(yi)外(wai)
，還(hai)需(xu)要(yao)針(zhen)對(dui)新(xin)的(de)威(wei)脅(xie)或(huo)新(xin)的(de)用(yong)戶(hu)快(kuai)速(su)重(zhong)新(xin)定(ding)位(wei)
，傳(chuan)輸(shu)多(duo)個(ge)數(shu)據(ju)流(liu)，並(bing)以(yi)超(chao)低(di)的(de)成(cheng)本(ben)

，延(yan)長(chang)工(gong)作(zuo)壽(shou)命(ming)。有(you)些(xie)應(ying)用(yong)需(xu)要(yao)抵(di)消(xiao)輸(shu)入(ru)阻(zu)塞(sai)信(xin)號(hao)的(de)作(zuo)用(yong)

，降(jiang)低(di)攔(lan)截(jie)概(gai)率(lv)。正(zheng)在(zai)席(xi)卷(juan)整(zheng)個(ge)行(xing)業(ye)的(de)相(xiang)控(kong)天(tian)線(xian)設(she)計(ji)為(wei)這(zhe)些(xie)挑(tiao)戰(zhan)提(ti)供(gong)了(le)解(jie)決(jue)辦(ban)法(fa)。人們開始采用先進的半導體技術解決相控陣天線過去存在的缺點，以最終減小這些解決方案的尺寸、重(zhong)量(liang)和(he)功(gong)率(lv)。本(ben)文(wen)將(jiang)簡(jian)要(yao)介(jie)紹(shao)現(xian)有(you)的(de)天(tian)線(xian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)以(yi)及(ji)電(dian)控(kong)天(tian)線(xian)的(de)優(you)勢(shi)所(suo)在(zai)。在(zai)此(ci)基(ji)礎(chu)上(shang)
，本(ben)文(wen)將(jiang)介(jie)紹(shao)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)如(ru)何(he)幫(bang)助(zhu)實(shi)現(xian)改(gai)進(jin)電(dian)控(kong)天(tian)線(xian)SWaP-C這一目標，然後舉例說明ADI技術如何做到這一點。

 

簡介

依靠天線發送和接收信號的無線電子係統已經運行了100多年。隨著精度、效率和更高級指標變得越來越重要，這些電子係統將繼續改進和完善。在過去幾年中，碟形天線已被廣泛用於發射(Tx)和接收(Rx)信(xin)號(hao)

，其(qi)中(zhong)方(fang)向(xiang)性(xing)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)
，並(bing)且(qie)經(jing)過(guo)多(duo)年(nian)的(de)優(you)化(hua)，許(xu)多(duo)這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)都(dou)能(neng)以(yi)相(xiang)對(dui)低(di)的(de)成(cheng)本(ben)良(liang)好(hao)地(di)運(yun)行(xing)。這(zhe)些(xie)碟(die)形(xing)天(tian)線(xian)擁(yong)有(you)一(yi)個(ge)用(yong)於(yu)旋(xuan)轉(zhuan)輻(fu)射(she)方(fang)向(xiang)的(de)機(ji)械(xie)臂(bi)
，它(ta)們(men)的(de)確(que)存(cun)在(zai)一(yi)些(xie)缺(que)點(dian)
，包(bao)括(kuo)轉(zhuan)向(xiang)慢(man)、物理尺寸大、長期可靠性差並且隻有一個符合要求的輻射圖或數據流。因此，工程師們已轉向先進的相控陣天線技術來改進這些特性
、添加新功能。相控陣天線采用電動轉向機製
，相比傳統機械轉向天線具有諸多優點，例如高度低/體積小
、更好的長期可靠性

、快速轉向、多波束等。憑借這些優勢
，相控陣已經被軍事應用、衛星通信和包括車聯網在內的5G電信等應用中得到廣泛運用。

 

相控陣技術

xiangkongzhentianxianshizuzhuangzaiyiqidetianxianyuanjiandejihe，qizhong，meigeyuanjiandefushetujunzaijiegoushangyuxianglintianxiandefushetuzuhexingchengchengweizhubandeyouxiaofushetu。zhubanzaiqiwangweizhifashefushenengliang
，ergenjusheji，tianxianfuzepohuaixingdiganraowuyongfangxiangshangdexinhao，xingchengwuxiaoxinhaohepangban。tianxianzhenlieshejiyongyuzuidahuazhubanfushedenengliang，tongshijiangpangbanfushedenengliangjiangdidaokejieshoudeshuiping。keyitongguogaibiankuirumeigetianxianyuanjiandexinhaodexiangweilaicaozongfushefangxiang。tu1zhanshileruhetongguotiaozhengmeigetianxianzhongxinhaodexiangwei，jiangyouxiaoboshukongzhizaixianxingzhenliedemubiaofangxiangshang。jieguo，zhenliezhongdemeigetianxiandoujuyoudulidexiangweihefudushezhi，yixingchengqiwangdefushetu。youyumeiyoujixieyundongbujian，suoyihenrongyilijiexiangkongzhenzhongboshukuaisuzhuanxiangdeshuxing。jiyuICdebandaotixiangweitiaozhengkeyizaijinamiaoneiwancheng，zheyangwomenjiukeyigaibianfushetudefangxiang，zhenduixindeweixiehuoyonghukuaisuzuochuxiangying。leisidi，womenkeyicongfusheboshubianweiyouxiaolingdianyixishouganraowudexinhao，shigaiwutikanqilaibukejian
，yinxingfeijijishiruci。zhongxindingweifushetuhuogaibianweiyouxiaolingdian，zhexiebianhuajihukeyilijiwancheng
，yinweiwomenkeyishiyongjiyuIC的de器qi件jian而er非fei機ji械xie部bu件jian，以yi電dian氣qi方fang式shi改gai變bian相xiang位wei設she置zhi。相xiang控kong陣zhen天tian線xian相xiang比bi機ji械xie天tian線xian的de另ling一yi個ge優you勢shi是shi它ta能neng同tong時shi輻fu射she多duo個ge波bo束shu，因yin而er可ke以yi跟gen蹤zong多duo個ge目mu標biao或huo管guan理li多duo個ge數shu據ju流liu的de用yong戶hu數shu據ju。這zhe是shi通tong過guo在zai基ji帶dai頻pin率lv下xia對dui多duo個ge數shu據ju流liu進jin行xing數shu字zi信xin號hao處chu理li來lai實shi現xian的de。

 

圖1.相控陣元件基礎理論圖。

 

該陣列的典型實現方式使用以等間隔行列配置的貼片天線元件
，其采用4×4式設計
，意味著總共有16個元件。圖2所示為一個小型4×4陣列
，其中
，貼片天線為輻射器。在地麵雷達係統中，這種天線陣列可以變得非常大
，可能有超過100,000個元件。

 

圖2.4×4元件列陣的輻射圖展示。

 

zaishejishiyaokaolvzhenliedaxiaoyumeigefusheyuanjiandegonglvzhijiandequanhengguanxi，zhexieyuanjianhuiyingxiangboshudefangxiangxingheyouxiaofushegonglv。keyitongguokaochayixiechangjiandepinzhiyinshulaiyucetianxiandexingneng。tongchang，tianxianshejirenyuanhuikaochatianxianzengyi、有效各向輻射功率(EIRP)及Gt/Tn。有一些基礎等式可用於描述以下等式中所示的這些參數。我們可以看到
，天線增益和EIRP與陣列中元件的數量成正比。這可能導致地麵雷達應用中常見的大型陣列。
 

 

 

其中

N = 元件數量

Ge =元件增益

Gt = 線增益

Pt = 發射機總功率

Pe = 每個元件的功率

Tn = 噪聲溫度

 

相(xiang)控(kong)陣(zhen)天(tian)線(xian)設(she)計(ji)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)方(fang)麵(mian)是(shi)天(tian)線(xian)元(yuan)件(jian)的(de)間(jian)隔(ge)。一(yi)旦(dan)我(wo)們(men)通(tong)過(guo)設(she)定(ding)元(yuan)件(jian)數(shu)量(liang)確(que)定(ding)了(le)係(xi)統(tong)目(mu)標(biao)，物(wu)理(li)陣(zhen)列(lie)直(zhi)徑(jing)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)取(qu)決(jue)於(yu)每(mei)個(ge)單(dan)元(yuan)構(gou)件(jian)的(de)大(da)小(xiao)限(xian)製(zhi)，其(qi)要(yao)小(xiao)於(yu)大(da)約(yue)二(er)分(fen)之(zhi)一(yi)波(bo)長(chang)

，因(yin)為(wei)這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)防(fang)止(zhi)柵(zha)瓣(ban)。柵(zha)瓣(ban)相(xiang)當(dang)於(yu)在(zai)無(wu)用(yong)方(fang)向(xiang)上(shang)輻(fu)射(she)的(de)能(neng)量(liang)。這(zhe)對(dui)進(jin)入(ru)陣(zhen)列(lie)的(de)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)提(ti)出(chu)了(le)嚴(yan)格(ge)的(de)要(yao)求(qiu)
，必(bi)須(xu)做(zuo)到(dao)體(ti)積(ji)小(xiao)、功率低
、重量輕。半波長間隔在較高頻率下對設計特別具有挑戰性，因為其中每個單元構件的長度會變小。這推高了更高頻率IC的集成度，促使封裝解決方案變得更加先進，並且使困難不斷增加的散熱管理技術得到了簡化。

 

我們構建整個天線時，陣列設計麵臨許多挑戰，包括控製線路由
、電源管理、脈衝電路、散熱管理、環境考慮因素等。業界有一股龐大的推動力量
，促使我們走向體積小、重量輕的低剖麵陣列。傳統的電路板結構使用小型PCB板
，其上的電子元件垂直饋入天線PCB的背麵。在過去的20年中，這種方法不斷改進
，以持續減小電路板的尺寸，從而減小天線的深度。下一代設計從這種板結構轉向平板式方法，其中
，每個ICdouyouzugougaodejichengdu
，keyijiandandianzhuangzaitianxianbandebeimian，dadajianxiaoletianxiandeshendu
，shitamennenggengrongyidizhuangrubianxieyingyonghuojizaiyingyongdangzhong。zaitu3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。這隻是天線的一個子集，其中
，天線一端可能發生頻率轉換級
；同時也是一個分配網絡
，負責從單個RF輸入開始路由到整個陣列。顯然
，集成度更高的ICxianzhujianshaoletianxianshejizhongdetiaozhan，bingqiesuizhetianxianbiandeyuelaiyuexiao
，yuelaiyueduodedianziyuanjianbeijichengdaoyuelaiyuexiaodekongjianzhong
，tianxianshejixuyaoxindebandaotijishulaibangzhutigaojiejuefangandekexingxing。

 

圖3.平板陣列，圖中所示為PCB頂部的天線貼片，IC則位於天線PCB的背麵。

 

數字波束合成與模擬波束合成

過去幾年設計的大多數相控陣天線都使用了模擬波束成形技術，其中的相位調整是在RF或IF頻率下進行的
，並且整個天線都采用一組數據轉換器。人們越來越關注數字波束成形，其中，每個天線元件都有一組數據轉換器，並且相位調整是在FPGA或(huo)某(mou)些(xie)數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong)以(yi)數(shu)字(zi)方(fang)式(shi)完(wan)成(cheng)的(de)。數(shu)字(zi)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)有(you)許(xu)多(duo)好(hao)處(chu)，從(cong)輕(qing)鬆(song)傳(chuan)輸(shu)多(duo)條(tiao)波(bo)束(shu)的(de)能(neng)力(li)，甚(shen)至(zhi)還(hai)能(neng)即(ji)刻(ke)改(gai)變(bian)波(bo)束(shu)的(de)數(shu)量(liang)。這(zhe)種(zhong)卓(zhuo)越(yue)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)在(zai)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)中(zhong)都(dou)具(ju)有(you)極(ji)強(qiang)的(de)吸(xi)引(yin)力(li)，並(bing)且(qie)對(dui)其(qi)普(pu)及(ji)化(hua)也(ye)起(qi)著(zhe)推(tui)動(dong)作(zuo)用(yong)。數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)不(bu)斷(duan)改(gai)進(jin)降(jiang)低(di)了(le)功(gong)耗(hao)並(bing)且(qie)擴(kuo)展(zhan)到(dao)了(le)更(geng)高(gao)的(de)頻(pin)率(lv)
，L波段和S波段的RF采樣使這項技術可以用於雷達係統。在考慮模擬與數字波束成形兩個選項時，需要考慮多種因素，但分析通常取決於所需波束數量
、功耗和成本目標。數字波束成形方法因每個元件搭配一個數據轉換器
，所以其功耗通常較高
，但是在形成多個波束方麵，卻極其靈活、便bian利li。數shu據ju轉zhuan換huan器qi還hai需xu要yao更geng高gao的de動dong態tai範fan圍wei，因yin為wei拒ju絕jue阻zu塞sai的de波bo束shu成cheng形xing隻zhi能neng在zai數shu字zi化hua之zhi後hou完wan成cheng。模mo擬ni波bo束shu成cheng形xing可ke以yi支zhi持chi多duo個ge波bo束shu
，但dan每mei個ge波bo束shu需xu要yao額e外wai的de相xiang位wei調tiao整zheng通tong道dao。例li如ru，為wei了le形xing成cheng100波束的係統
，需要將1波束係統的RF移相器的數量乘以100
，因此數據轉換器與相位調整IC的de成cheng本ben考kao慮lv因yin素su可ke能neng根gen據ju波bo束shu的de數shu量liang而er改gai變bian。類lei似si地di
，對dui於yu可ke以yi利li用yong無wu源yuan移yi相xiang器qi的de模mo擬ni波bo束shu成cheng形xing方fang法fa，其qi功gong耗hao通tong常chang較jiao低di，但dan隨sui著zhe波bo束shu數shu量liang的de增zeng加jia，如ru果guo需xu要yao額e外wai的de增zeng益yi級ji來lai驅qu動dong分fen配pei網wang絡luo，則ze功gong耗hao也ye將jiang增zeng加jia。常chang見jian的de折zhe衷zhong方fang案an是shi混hun合he式shi波bo束shu成cheng形xing方fang法fa
，其qi中zhong有you模mo擬ni波bo束shu成cheng形xing子zi陣zhen列lie，隨sui後hou是shi子zi陣zhen列lie信xin號hao的de一yi些xie數shu字zi組zu合he。這zhe是shi業ye內nei日ri益yi熱re門men的de一yi個ge領ling域yu

，並bing將jiang在zai未wei來lai幾ji年nian繼ji續xu發fa展zhan壯zhuang大da。

 

半導體技術

biaozhunmaichongleidaxitongfashekeyicongwutishangfanshedexinhao，leidadengdaifanhuimaichongyiyingshetianxiandeshichang。zaiguoqujinianzhong，zhezhongtianxianqianduanjiejuefanganhuicaiyongfenlishiyuanjian，cileiyuanjianhenkenengcaiyongshenhuajiajishu。yongzuozhexiexiangkongzhentianxiangoujianmokuaideIC元件如圖4所示。它們包括一個用於調整每個天線元件相位（最終控製天線）的移相器
、一個可以使波束逐漸變細的衰減器
、一yi個ge用yong於yu傳chuan輸shu信xin號hao的de功gong率lv放fang大da器qi和he一yi個ge用yong於yu接jie收shou信xin號hao的de低di噪zao聲sheng放fang大da器qi，另ling有you一yi個ge用yong於yu在zai發fa射she與yu接jie收shou之zhi間jian切qie換huan的de開kai關guan。在zai過guo去qu的de實shi施shi方fang案an中zhong，這zhe些xieIC中的每一個都可能放在5mm×5mm的封裝中，更先進的解決方案則可能用集成式單片單通道GaAs IC來實現該功能。

 

圖4.相控陣天線的典型RF前端示例。

 

相控陣天線近年來的普及離不開半導體技術的推動。SiGe BiCMOS、SOI（絕緣體上矽）和體CMOS中的高級節點將用於控製陣列中轉向的組合數字電路以及用於實現相位和幅度調整的RF信號路徑集成到單個IC當中。如今，我們已經可以實現多通道波束成形IC，此類IC可在4通道配置中調整增益和相位
，最多可支持32個通道
，可用於毫米波設計。在一些低功耗示例中，基於矽的ICyoukenengweishangshusuoyougongnengtigongdanpianjiejuefangan。zaigaogonglvyingyongzhong
，jiyudanhuajiadegonglvfangdaqixianzhutigaolegonglvmidu
，yishiyingxiangkongzhentianxiandanyuangoujiandexuqiu，chuantongshangzhexietianxianjibenshangyoujiyuxingboguan(TWT)的功率放大器或基於較低功率GaAs的功率放大器伺服。在機載應用中
，我們看到了平板架構日益盛行的趨勢
，因為其同時具有GaN技術的功率附加效率(PAE)優勢。GaN還使大型地基雷達能夠從由TWT驅動的碟形天線轉向基於相控陣的天線技術。我們目前能使用單片GaN IC，這類IC能提供超過100瓦的功率
，PAE超過50％。將這種PAE水平與雷達應用的低占空比相結合，可以確定天線陣列的尺寸、重量和成本。在GaN的純功率能力以外，與現有GaAs IC解決方案相比的額外好處是尺寸減小了。將X波段的6 W至8 W GaAs功率放大器與基於GaN的解決方案進行比較可將占位麵積減少50％或以上。在將這些電子器件裝配到相控陣天線的單元構件中時，這種占位麵積的減小有著顯著的意義。

 

ADI公司的模擬相控陣IC

ADI公司開發了集成模擬波束成形IC，其可以支持雷達、衛星通信、5G通信等一係列應用。ADAR1000 X-/Ku波段波束成形IC是一款4通道器件

，覆蓋頻段為8 GHz至16 GHz
，工作於時分雙工(TDD)模式，其發射器和接收器集成在一個IC當中。該器件是X波段雷達應用以及Ku波段衛星通信的理想選擇，在這類應用中
，IC可以配置為僅以收發器模式或僅接收器模式運行。這款4通道IC采用7 mm×7 mm QFN表貼封裝，可輕鬆集成到平板陣列當中，在發射模式下功耗僅為240 mW/通道，在接收模式下功耗僅為160 mW/通道。收發器和接收器通道直接可用，在外部設計上可以與ADI公司提供的前端模塊(FEM)配合使用。圖5顯示了具有全360°相位覆蓋的增益和相位控製，可以實現小於2.8°的相位步長和優於31 dB的增益控製。ADAR1000集成片上存儲器，可存儲多達121個波束狀態

，其中一個狀態包含整個IC的所有相位和增益設置。發射器提供大約19 dB的增益和15 dBm的飽和功率，其中接收增益約為14 dB。另一個關鍵指標是增益控製的相位變化，其在20 dB範圍內約為3°。同樣，在整個360°相位覆蓋範圍內，相位控製的增益變化約為0.25 dB

，緩解了校準難題。

 

圖5.ADAR1000 Tx增益/回波損耗和相位/增益控製，頻率 = 11.5 GHz。

 

該波束成形IC專為模擬相控陣應用或混合陣列架構而開發，混合陣列架構將一些數字波束成形技術與模擬波束成形技術結合了起來。ADI公司提供從天線到位的完整解決方案，包括數據轉換器

、頻率轉換
、模擬波束成形IC以及前端模塊。組合芯片組使ADI公司能夠將多種功能組合起來並對IC進行適當優化
，從而輕鬆地為客戶實現天線設計。

 

圖6.ADI相控陣產品

 

（來源：亞德諾半導體
，作者：Keith Benson）