讨论相控阵应用的RF电子器件

本文将一些散落在互联网上以各种形式进行的例行查询总结为更全面的讨论。我们从相控阵演进的简史开始，讨论架构趋势和挑战，深入了解我们对最新发展的看法，并提供文章和网络广播的链接，以提供有关各种主题的更多详细信息。

让我们从相控阵的演变开始。我们是怎么到这里来的？

早期的大部分相控阵工作都是为雷达应用开发的，因此考虑雷达天线实现的演变，可以很好地了解现代数字波束成形天线是如何构思的。出于必要，在第二次世界大战期间和之后加速了雷达的重大发展。第二次世界大战后，今天用于波形和雷达处理的大部分数学都是在各种政府实验室和组织中制定的。

图1.相控阵的发展。从使用旋转碟形天线实现的雷达开始到最新的每元件数字相控阵，技术不断进步。

一种重要的雷达处理技术是脉冲压缩。脉冲压缩通过线性频率调制（LFM）和相位码等波形选择来实现，其中匹配滤波器输出端的脉冲比发射脉冲短得多。脉冲压缩量与信号带宽直接相关。这一切都在1960年代被记录和理解。有人说雷达是脉冲压缩天生的。随着对数学的理解，扩展的实现开发仍在继续，并最终导致了现代相控阵。

第一个实现是在电子管放大器中产生高功率RF的旋转天线天线。然后，旋转天线被第一个相控阵天线取代，该天线用于超高性能雷达。电子管高功率放大器（HPA）仍然存在，发射信号流为：电子管HPA→波导分布→移相器→辐射元件。波束成形是一个全模拟系统。在接收时，可以制作几种光束图案，但该过程复杂且昂贵，因此通常仅限于几个光束。单脉冲雷达的天线系统可以通过这种方式实现。迈向固态相控阵的第一步是引入分布在每个元件上的发射/接收（T/R）模块，最初的实现仍然使用具有类似后端处理的模拟波束成形。T/R 模块由用于发射的固态 HPA、用于接收的低噪声放大器 （LNA） 以及用于控制来自天线的射频能量（发射或接收）方向的环行器或开关组成。

目前正在进行的过渡是向数字波束成形相控阵的迁移。混合架构由模拟波束成形子阵列组成，然后是每个子阵列后面的接收器和ADC，允许数字波束成形在子阵列模式内形成许多波束。每个晶片数字相控阵包括每个晶片后面的接收器和波形发生器。每元件数字波束成形相控阵是真正软件定义天线方向图的推动者。可以在许多不同的方向上同时形成许多波束，并且可以自适应控制天线方向图，包括零点。由于系统级可编程性，每个元件数字相控阵已成为许多天线架构师的目标。

您能进一步解释一下模拟波束成形和数字波束成形之间的区别吗？

通过如图 2 所示的图示可以最好地理解这一点。在模拟波束成形中，每个元件后面的RF域中都有一个移相器和增益控制，通常在T/R模块之后。波束方向是通过在组合之前控制每个元件的RF相位来形成的。可以应用幅度锥度来帮助天线旁瓣电平。在数字波束成形中，除了全是数字之外，还会执行类似的过程。每个元件都有完整的接收器和ADC，波束成形在数字域中完成，相移以数字方式应用于每个通道，加权和形成天线方向图。由于波束是以数字方式形成的，因此可以在相同的ADC数据上同时创建许多天线波束方向图。这是通过复制数字波束成形时间延迟和求和结构来实现的。它是一种并行处理形式，可创建多个波束，这些波束可从同一ADC数据流独立编程。理论上，这可以扩展到非常大量的光束。在实践中，可实现的限制通常由数字处理能力设定。为了将处理与实际数据速率绑定，一些系统定义了波束带宽积。该定义允许在波束数量和每个波束带宽之间进行权衡，同时保持对系统所需数据速率的限制。

图2.模拟与数字波束成形。

模拟波束成形的一个优点是实现简单。数据转换器很少，因此数字开发工作非常易于管理。挑战在于必须为每个天线波束重复模拟波束成形结构。波束成形后也存在单点故障。然而，对于低成本、低波束数的系统，模拟波束成形是一个不错的选择，并且将成为成本受限天线系统的主要候选者。

数字波束成形的优势在于可以灵活地同时在多个方向上使用多个可编程天线波束。不幸的是，挑战是巨大的，包括大量的数字数据、同步以及每个辐射元件后面所需的电子设备的物理尺寸限制。尽管存在挑战，但当单个天线需要多个同步波束时，它仍然是一种经济高效的架构。

折衷方案是混合使用模拟和数字波束成形。在这种情况下，元件在模拟域中形成子阵列，然后可以在子阵列图案内以数字方式形成波束。这可以被认为是一种混合架构，在需要数字波束成形时也非常流行，但由于任何不同的挑战或系统成本限制，全数字波束成形是不切实际的。

您能描述一下您在射频前端的一些工作吗？

首先，让我们定义RF前端。这通常由 T/R 模块以及任何模拟波束成形组成。我们正在开发所有这些领域的产品。HPA和LNA定期发布以支持市场需求。还有低损耗、高功率开关，可在发送和接收之间实现快速前端切换。当适合客户应用时，这些可以作为完整的解决方案集成到 T/R 模块中。

该行业正在做大量工作来改进用于HPA和LNA的GaN技术。有几个广为人知的主要激励因素，例如更高功率密度和更高击穿电压的能力。对于相控阵应用，还有额外的激励因素。工作电压越高，配电中的电流越小，整体系统效率就越高。较高的击穿电压为 LNA 带来了更高的生存功率，并且在某些情况下，可以消除对前端限幅器的需求，即使 GaN LNA 噪声系数略高于 GaAs LNA，前端限幅器也能降低整体接收器噪声系数。

对于模拟波束成形器，我们最近发布了ADAR1000。这是一个 X 波段和 Ku 波段的 4：1 模拟波束成形器。除了所有必需的模拟波束成形功能外，还包括通过栅极控制的HPA/LNA脉冲的独特功能。通过控制栅极而不是漏极来证明快速开/关。这种方法无需切换通过漏极的高电流。我们发布了有关栅极开关的可能电路技术的应用笔记，以及ADAR1000中有助于简化T/R模块周围控制电路的功能。

对于接收器和波形发生器，目前正在实施哪些架构？

接收器和波形发生器架构大致可分为三种变体：外差、直接变频和直接采样。每种体系结构选择都有优点和缺点，具体取决于应用程序。我们认为所有这些器件都有一席之地，具体取决于目标，并根据人们如何使用这些部件来创建支持所有架构的IC。图 3 说明了不同的体系结构。虽然仅显示了接收器，但拓扑也适用于波形发生器信号链。

超外差方法已经存在了100年，已经得到了很好的验证，可以通过适当的频率规划提供卓越的性能。不幸的是，它也是最复杂的。它通常需要最大的功率、相对于可用带宽的最大物理占用空间，以及频率规划，这在大分数带宽下可能非常具有挑战性。它也是可编程性最低的，除非包括额外的硬件以在各种滤波器和LO路径之间切换。较新的趋势之一是，现代高速转换器和收发器能够以更高的IF频率进行采样。使用这些最新版本可以简化频率规划，消除混频级，并降低伴随的敏捷LO复杂性。

直接采样方法长期以来一直受到追捧，但面临着以与直接RF采样相称的速度运行转换器和实现大输入带宽的障碍。如今，高速转换器可用于通过S波段及更高频段的直接采样，参考文献中列出了几种。以GSPS速率采样，模拟输入带宽高于6 GHz是最新的高速转换器的新功能。高频的直接采样将继续成为新兴数据转换器关注的趋势。随着下一代FinFET CMOS节点不断提高晶体管工作速度并降低寄生电容，新的数据转换器系列将成为可能，并有可能对未来的RF系统设计产生重大影响。

直接变频架构可最有效地利用数据转换器带宽。数据转换器在第一奈奎斯特模式下工作，性能最佳，低通滤波更容易。两个数据转换器协同工作，对I/Q信号进行采样，从而增加用户带宽，而不会遇到交错的挑战。多年来一直困扰直接变频架构的主要挑战是保持I/Q平衡，以实现可接受的镜像抑制、LO泄漏和直流偏移水平。近年来，整个直接变频信号链的先进集成与数字校准相结合，克服了这些挑战。我们的收发器产品线基于直接转换架构。在性能合适的地方，这些将是集成度最高、最经济的解决方案。

在数字波束成形阵列中分配波形发生器和接收器还有其他好处吗？

分布式RF电子器件的系统工程目标之一是在通道组合时实现动态范围的改进。当组合两个RF信号时，如果RF信号的幅度和相位匹配，并且每个通道中的噪声不相关，则将有一个10logN的组合增益，从而改善动态范围。如果通道中的噪声是相关的，则它们组合在一起时没有改善。因此，系统工程工作之一是跟踪相关与不相关的噪声贡献因素。相关噪声可以来自跨通道共享的任何内容，包括时钟、LO、电源等。

对于大型阵列，此改进具有重要价值。例如，如果噪声分量全部不相关，则100个通道可以提供20 dB的动态范围改进。我们 开发 了 自己 的 多 通道 RF 测试 台， 以确保 客户 使用 我们 的 组件 和 我们 自己 的 内部 设计 工作 都 了解 这些 参数。

您能否详细说明设计人员在数字波束成形相控阵中遇到的物理尺寸挑战？

一个基本的物理挑战是元件间距作为波长的函数，随着工作频率的增加而减小。许多系统将元件间距设置为波长的一半或更小，以避免天线方向图中出现光栅瓣。在L波段和S波段，利用最新的收发器或直接采样转换器，将电子元件安装在每个元件的间距中是切实可行的。随着频率增加到 X 波段 （10 GHz），通过高级集成具有挑战性，但有可能实现。在Ka波段，这是非常具有挑战性的。随着频率的增加，混合架构可以变得更加实用，4：1波束成形器（如ADAR1000）可以将接收器/激励器数量减少4个，并为RF电子器件分配额外的空间。

为了应对这一挑战，我们将继续整合信号链的完整部分。多通道集成收发器和转换器为RF采样奠定了基础，减少了物理尺寸。此外，单片RFIC、SiP（系统级封装）和集成T/R模块中的集成RF设计都在不断发展。多通道高速转换器或收发器与RF进步相结合，可实现现代相控阵实施所需的集成。

相控阵设计涵盖了工程的许多方面，从射频设计、配电、高速数字设计、先进封装和数字信号处理。ADI公司产品组合的广度涵盖了所有这些领域。在一家公司中提供全面的产品对于射频/微波行业来说是非常独特的，也是系统集成商开发相控阵天线系统的推动者。在这里，我们介绍了趋势和一些注意事项。

审核编辑：郭婷