数字波束成形相控阵中RF电子器件的物理尺寸分配

相控阵雷达和有源电子扫描阵列（AESA）已经在航空航天和国防市场中使用和部署了十多年。这一时期主要从模拟波束成形系统开始，并不断迁移到更高水平的数字波束成形。系统工程目标不断需要接近元素的数字波束成形实现，以实现最大的灵活性和可编程性。

迁移到近元素数字波束成形存在许多挑战。挑战范围包括校准、数字控制、时钟分配、LO、电源、处理数据量以及电子设备的物理尺寸限制。无线行业RF IC的大量进步继续使RF设计具有更高集成度的能力，现在每个元件数字波束成形阵列的实际实现正在成为现实。

在本文中，我们将重点介绍电子产品的物理尺寸要求。讨论了物理尺寸要求与工作频率的关系，并回顾了实际的实现方法。

天线元件间距与频率的关系

首先，将天线元件间距视为频率的函数。为了避免光栅瓣，需要λ/2或更小的元件间距，其中λ是工作频率波长。

极化多样性也正在成为理想的系统目标。此功能提供了对各种天线极化进行编程的能力，包括水平、垂直或左右手圆极化。实现此功能的天线元件实现是具有两个端口的辐射元件，其中每个端口都以正交极化辐射。通过控制每个端口的相对相位和幅度，可以产生不同的极化。虽然对系统来说是一个显着的好处，但不幸的是，此功能使所需的天线端口数量增加了一倍，并使支持电子设备复杂化。

图1显示了元件间距与频率的关系，假设有一个λ/2天线元件间距实现。通过概述这些物理尺寸限制，可以评估天线后面的RF子系统，以评估满足电子通道间隔与频率所需的实现。

图1.元素间距与频率的关系。

频率	元素间距	双极 I/O 间距
3千兆赫	50毫米，2英寸	25毫米，1英寸
10千兆赫	15 毫米，600 密耳	7.5毫米，300密耳
30千兆赫	5 毫米，200 密耳	2.5毫米，100密耳

波形发生器和接收器通道间距

图2显示了ADI收发器产品之一的评估板。该板包含两个收发器。每个收发器包含两个发射和接收通道（见图3），因此实现了四个完整的波形发生器和接收器。该板还包括一个时钟 IC 和几个用于评估器件的其他 I/O 功能。

图2.收发器通道间距。

图3.收发器产品线包括双波形发生器和接收器。

虽然该板不是为了尽可能高的集成度，但该板提供了对波形发生器和接收器部分的实际尺寸限制的深入了解。从电路板上可以很快看出，收发器产品线支持每个元件的数字天线间距到C波段，并且通过一些额外的努力，可以实现X波段元件间距。

接下来，配接RF上/下变频器的物理尺寸如图4所示。该特定板旨在用作双收发器板的测试板配套，并再次可用于考虑该RF子系统的实际物理尺寸限制。该板采用标准的低成本方法，使用所有市售部件。同样，这表明这种类型的实现支持每个元件数字天线，最高可达C波段。如果迁移到X波段，每个数字元件都可以实现，从而能够与SiP（系统级封装）集成进一步集成。

图4.X/ku波段RF上/下变频器。

这两块电路板概述了低成本商业实现支持频率高达C波段的数字波束成形相控阵中的每个元件。X波段及以上的每个元件实现可以通过进一步集成来实现，或者作为替代波束成形IC可用于减少波形发生器和接收器通道的数量相对于元件的数量。4：1 X/Ku波段波束成形器现已商业化，是这些频率下低成本数字波束成形相控阵的实用方法。

Ka波段元素间距

接下来，考虑Ka波段天线元件间距，如图5所示。在 30 GHz 时，λ/2 间距为 5 mm，如图所示，这对电子设备来说是相当具有挑战性的。然而，在与天线元件正对的这个间距内实现4：1模拟波束成形器是可行的。挑战在于物理尺寸限制几乎没有机会使用其他组件。这就需要在波束成形封装中包含LNA或PA，并将去耦电容等无源元件埋在PWB内。

图5.Ka 波段物理足迹。

Ka波段卫星系统的一个幸运的设计优势是，大多数系统将发射和接收功能分离到单独的天线中。这为设计仅发射或仅接收针对特定任务优化的波束成形IC提供了机会。

总结

无线行业RF IC的持续发展已成为数字波束成形相控阵技术普及的推动因素。现在，使用标准PWB技术设计每个元件的数字波束成形相控阵对于高达C波段的频率是可行的。在更高频率的X波段，每个元素的数字实现都是可行的，但可能需要额外的设计工作来进一步集成。或者，可以使用4：1模拟波束成形器，为电子设备提供额外的空间，并再次允许使用标准的PWB实现方法。在Ka波段物理尺寸约束下，这可能变得具有挑战性。然而，通过将前端电子元件集成到波束成形器封装中，现在可以实现子阵列天线架构或全模拟波束成形系统。

审核编辑：郭婷