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
、zhonglianghegonglv。benwenjiangjianyaojieshaoxianyoudetianxianjiejuefanganyijidiankongtianxiandeyoushisuozai。zaicijichushang，benwenjiangjieshaobandaotijishudefazhanruhebangzhushixiangaijindiankongtianxianSWaP-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。tu1展zhan示shi了le如ru何he通tong過guo調tiao整zheng每mei個ge天tian線xian中zhong信xin號hao的de相xiang位wei，將jiang有you效xiao波bo束shu控kong製zhi在zai線xian性xing陣zhen列lie的de目mu標biao方fang向xiang上shang。結jie果guo，陣zhen列lie中zhong的de每mei個ge天tian線xian都dou具ju有you獨du立li的de相xiang位wei和he幅fu度du設she置zhi

，以yi形xing成cheng期qi望wang的de輻fu射she圖tu。由you於yu沒mei有you機ji械xie運yun動dong部bu件jian
，所suo以yi很hen容rong易yi理li解jie相xiang控kong陣zhen中zhong波bo束shu快kuai速su轉zhuan向xiang的de屬shu性xing。基ji於yuICdebandaotixiangweitiaozhengkeyizaijinamiaoneiwancheng，zheyangwomenjiukeyigaibianfushetudefangxiang，zhenduixindeweixiehuoyonghukuaisuzuochuxiangying。leisidi
，womenkeyicongfusheboshubianweiyouxiaolingdianyixishouganraowudexinhao，shigaiwutikanqilaibukejian

，yinxingfeijijishiruci。zhongxindingweifushetuhuogaibianweiyouxiaolingdian，zhexiebianhuajihukeyilijiwancheng
，yinweiwomenkeyishiyongjiyuICdeqijianerfeijixiebujian，yidianqifangshigaibianxiangweishezhi。xiangkongzhentianxianxiangbijixietianxiandelingyigeyoushishitanengtongshifusheduogeboshu
，yinerkeyigenzongduogemubiaohuoguanliduogeshujuliudeyonghushuju。zheshitongguozaijidaipinlvxiaduiduogeshujuliujinxingshuzixinhaochulilaishixiande。

 

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。

 

在zai設she計ji時shi要yao考kao慮lv陣zhen列lie大da小xiao與yu每mei個ge輻fu射she元yuan件jian的de功gong率lv之zhi間jian的de權quan衡heng關guan係xi，這zhe些xie元yuan件jian會hui影ying響xiang波bo束shu的de方fang向xiang性xing和he有you效xiao輻fu射she功gong率lv。可ke以yi通tong過guo考kao察cha一yi些xie常chang見jian的de品pin質zhi因yin數shu來lai預yu測ce天tian線xian的de性xing能neng。通tong常chang，天tian線xian設she計ji人ren員yuan會hui考kao察cha天tian線xian增zeng益yi、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

 

xiangkongzhentianxianshejidelingyigeguanjianfangmianshitianxianyuanjiandejiange。yidanwomentongguoshedingyuanjianshuliangquedinglexitongmubiao
，wulizhenliezhijinghendachengdushangqujueyumeigedanyuangoujiandedaxiaoxianzhi，qiyaoxiaoyudayueerfenzhiyibochang，yinweizheyangkeyifangzhizhaban。zhabanxiangdangyuzaiwuyongfangxiangshangfushedenengliang。zheduijinruzhenliededianziqijiantichuleyangedeyaoqiu
，bixuzuodaotijixiao
、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IC都dou有you足zu夠gou高gao的de集ji成cheng度du，可ke以yi簡jian單dan地di安an裝zhuang在zai天tian線xian板ban的de背bei麵mian，大da大da減jian小xiao了le天tian線xian的de深shen度du，使shi它ta們men能neng更geng容rong易yi地di裝zhuang入ru便bian攜xie應ying用yong或huo機ji載zai應ying用yong當dang中zhong。在zai圖tu3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(cheng)100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ICdechengbenkaolvyinsukenenggenjuboshudeshuliangergaibian。leisidi，duiyukeyiliyongwuyuanyixiangqidemoniboshuchengxingfangfa，qigonghaotongchangjiaodi，dansuizheboshushuliangdezengjia，ruguoxuyaoewaidezengyijilaiqudongfenpeiwangluo
，zegonghaoyejiangzengjia。changjiandezhezhongfanganshihunheshiboshuchengxingfangfa

，qizhongyoumoniboshuchengxingzizhenlie，suihoushizizhenliexinhaodeyixieshuzizuhe。zheshiyeneiriyiremendeyigelingyu
，bingjiangzaiweilaijinianjixufazhanzhuangda。

 

半導體技術

標(biao)準(zhun)脈(mai)衝(chong)雷(lei)達(da)係(xi)統(tong)發(fa)射(she)可(ke)以(yi)從(cong)物(wu)體(ti)上(shang)反(fan)射(she)的(de)信(xin)號(hao)，雷(lei)達(da)等(deng)待(dai)返(fan)回(hui)脈(mai)衝(chong)以(yi)映(ying)射(she)天(tian)線(xian)的(de)視(shi)場(chang)。在(zai)過(guo)去(qu)幾(ji)年(nian)中(zhong)，這(zhe)種(zhong)天(tian)線(xian)前(qian)端(duan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)會(hui)采(cai)用(yong)分(fen)立(li)式(shi)元(yuan)件(jian)
，此(ci)類(lei)元(yuan)件(jian)很(hen)可(ke)能(neng)采(cai)用(yong)砷(shen)化(hua)镓(jia)技(ji)術(shu)。用(yong)作(zuo)這(zhe)些(xie)相(xiang)控(kong)陣(zhen)天(tian)線(xian)構(gou)建(jian)模(mo)塊(kuai)的(de)IC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
、yigeyongyuchuanshuxinhaodegonglvfangdaqiheyigeyongyujieshouxinhaodedizaoshengfangdaqi，lingyouyigeyongyuzaifasheyujieshouzhijianqiehuandekaiguan。zaiguoqudeshishifanganzhong，zhexieIC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IC有(you)可(ke)能(neng)為(wei)上(shang)述(shu)所(suo)有(you)功(gong)能(neng)提(ti)供(gong)單(dan)片(pian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。在(zai)高(gao)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)中(zhong)，基(ji)於(yu)氮(dan)化(hua)镓(jia)的(de)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)了(le)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)，以(yi)適(shi)應(ying)相(xiang)控(kong)陣(zhen)天(tian)線(xian)單(dan)元(yuan)構(gou)件(jian)的(de)需(xu)求(qiu)，傳(chuan)統(tong)上(shang)這(zhe)些(xie)天(tian)線(xian)基(ji)本(ben)上(shang)由(you)基(ji)於(yu)行(xing)波(bo)管(guan)(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）