Elektronisches Design - Phased Array Beamforming IC vereinfacht Antennendesign

Das Funksubsystem, das auf Antennen zum Senden und Empfangen von Signalen angewiesen ist, ist seit mehr als 100 Jahren in Betrieb. Als Genauigkeit, Effizienz, und übergeordnete Indikatoren werden immer wichtiger, Diese elektronischen Systeme werden sich weiter verbessern und verbessern. In den letzten Jahren, dish antennas have been widely used for transmitting (Tx) and receiving (Rx) signals, wo Direktivität sehr wichtig ist, und nach Jahren der Optimielaufeng, Viele dieser Systeme können zu relativ niedrigen Kosten gut eingesetzt werden. run. Diese Tellerantennen haben einen Roboterarm zum Drehen der Strahlungsrichtung. Sie haben einige Mängel, einschließlich langsamer Drehung, große physische Größe, schlechte Langzeitzuverlässigkeit, und nur ein Strahlungsmuster oder Datenstrom, der die Anforderungen erfüllt. Daher, Ingenieure haben sich der fortschrittlichen Phased-Array-Antennentechnologie verschrieben, um diese Funktionen zu verbessern und neue Funktionen hinzuzufügen. Phased Array Antenne nimmt elektrischen Lenkmechanismus an, Das hat viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Lenkantennen, wie geringe Höhe/kleine Größe, höhere langfristige Zuverlässigkeit, schnelle Lenkung , Mehrstrahl, etc. Mit diesen Vorteilen, Phased Array Antennen sind im Militär weit verbreitet, Satellitenkommunikation, Internet der Fahrzeuge, 5G-Kommunikation und andere Bereiche.

Phased Array Technologie

Eine Phased Array Antenne ist eine Sammlung von Antennenelementen, die zusammen montiert werden, wobei das Strahlungsmuster jedes Elements strukturell mit dem Strahlungsmuster der benachbarten Antenne kombiniert wird, um ein effektives Strahlungsmuster zu bilden, das als Hauptkolben bezeichnet wird. Der Hauptkolben gibt an der gewünschten Position abgestrahlte Energie ab, und nach dem Entwurf, Die Antenne ist dafür verantwortlich, Signale in nutzlose Richtungen destruktiv zu stören, Bildung ungültiger Signale und Seitenlappen. Das Antennenarray ist so konzipiert, dass die vom Hauptkolben ausgestrahlte Energie maximiert wird und gleichzeitig die vom Seitenkolben ausgestrahlte Energie auf ein akzeptables Niveau reduziert wird.. Die Strahlungsrichtung kann manipuliert werden, indem die Phase des Signals geändert wird, das in jedes Antennenelement eingespeist wird. Abbildung 1 zeigt, wie der effektive Strahl in Zielrichtung des linearen Arrays gesteuert wird, indem die Phase des Signals in jeder Antenne angepasst wird. Als Ergebnis, Jede Antenne im Array hat unabhängige Phasen- und Amplitudeneinstellungen, um das gewünschte Strahlungsmuster zu bilden. Da es keine mechanischen beweglichen Teile gibt, Es ist leicht, die Eigenschaften der schnellen Strahlsteuerung im Phased Array zu verstehen IC-basiert Halbleiterphasenanpassung kann innerhalb weniger Nanosekunden abgeschlossen werden, Damit wir die Richtung des Strahlungsmusters ändern und schnell auf neue Bedrohungen oder Benutzer reagieren können. Ähnlich, Wir können von einem Strahlungsstrahl zu einem effektiven Nullpunkt wechseln, um das Störsignal zu absorbieren, das Objekt unsichtbar erscheinen lassen, wie bei unsichtbaren Flugzeugen. Neupositionierung des Strahlungsmusters oder Wechsel zum effektiven Nullpunkt, diese Änderungen können fast sofort durchgeführt werden, weil wir IC-basierte Geräte anstelle mechanischer Teile verwenden können, um die Phaseneinstellung elektrisch zu ändern. Ein weiterer Vorteil einer Phased Array Antenne gegenüber einer mechanischen Antenne ist, dass sie mehrere Strahlen gleichzeitig ausstrahlen kann, So kann es mehrere Ziele verfolgen oder Benutzerdaten für mehrere Datenströme verwalten. Erreicht wird dies durch digitale Signalverarbeitung mehrerer Datenströme bei Basisbandfrequenzen.

Eine typische Implementierung des Arrays verwendet Patchantennelemente, die in gleichen Abständen in Reihen und Spalten angeordnet sind, was ein 4*4 Design annimmt, was bedeutet, dass es insgesamt 16 Elemente gibt. Abbildung 2 zeigt ein kleines 4*4 Array, in dem die Patchantenne ein Radiator ist. In bodengestützten Radarsystemen können solche Antennenanordnungen sehr groß werden, möglicherweise mit mehr als 100.000 Elementen.

Bei der Konstruktion sollte die Kompromissbeziehung zwischen der Größe des Arrays und der Leistung jedes strahlenden Elements berücksichtigt werden. Diese Elemente beeinflussen die Richtwirkung des Strahls und die effektive Strahlungsleistung. Die Leistung der Antenne kann durch Untersuchung einiger gängiger Qualitätsfaktoren vorhergesagt werden. Normalerweise betrachten Antennendesigner Antennengewinn, effektive isotrope Strahlungsleistung (EIRP) und Gt/Tn. Es gibt einige grundlegende Gleichungen, die verwendet werden können, um die in den folgenden Gleichungen gezeigten Parameter zu beschreiben. Wir können sehen, dass der Antennengewinn und EIRP proportional zur Anzahl der Elemente im Array sind.

Darunter: N. Anzahl der Elemente; Ge­Elementgewinn; Gt. Antennengewinn; Pt. Gesamtleistung des Senders; Pe­power jedes Elements; Geräuschtemperatur.

Ein weiterer wichtiger Aspekt des Phased Array Antennendesigns ist der Abstand der Antennenelemente. Sobald wir das Systemziel durch Festlegen der Anzahl der Komponenten festgelegt haben, hängt der physikalische Arraydurchmesser weitgehend von der Größenbegrenzung jeder Einheitskomponente ab, die weniger als die Hälfte der Wellenlänge beträgt, da es Gitterkolben verhindern kann. Die Gitterkolben entsprechen der Energie, die in nutzlose Richtungen abgestrahlt wird. Dies stellt strenge Anforderungen an die elektronischen Geräte, die in das Array gelangen, die klein, leistungsarm und leicht sein müssen. Der halbe Wellenlängenabstand ist für die Auslegung bei höheren Frequenzen besonders anspruchsvoll, da die Länge jedes Bauteils kleiner wird. Dies treibt die Integration von hochfrequenten ICs voran, führt zu fortschrittlicheren Verpackungslösungen und vereinfacht die zunehmend schwierige Thermomanagement-Technologie.

Wenn wir die gesamte Antenne bauen, Das Array-Design steht vor vielen Herausforderungen, einschließlich Regelschaltung, Energiemanagement, Impulsschaltungen, Wärmeableitung, Umweltaspekte, etc. Es gibt eine große treibende Kraft in der Branche, die uns drängt, auf kleine und leichte Low-Profile-Arrays umzusteigen. Die traditionelle Leiterplattenstruktur verwendet eine kleine PCB Brett, an dem die elektronischen Komponenten vertikal in die Rückseite der Antenne eingespeist werden PCB. In den letzten zwanzig Jahren, Diese Methode wurde kontinuierlich verbessert, um die Größe der Leiterplatte kontinuierlich zu reduzieren, dadurch die Tiefe der Antenne reduziert. Das Design der nächsten Generation verschiebt sich von dieser Leiterplattenstruktur auf eine Flat-Panel-Methode, wobei jeder IC eine ausreichend hohe Integrationsstufe aufweist, die einfach auf der Rückseite der Antennenplatte montiert werden kann, Verringerung der Antennentiefe und Vereinfachung der Antenne Laden Sie sie in eine tragbare Anwendung oder eine Onboard-Anwendung. In Abbildung 3, Das linke Bild zeigt das goldene Patch Antennenelement auf der Oberseite des PCB, und das rechte Bild zeigt die Antenne analog Frontend auf der Unterseite des PCB. Dies ist nur eine Teilmenge der Antenne, wenn an einem Ende der Antenne eine Frequenzumwandlungsstufe stattfinden kann; Es ist auch ein Verteilernetz, das für das Routing von einem einzelnen HF-Eingang zum gesamten Array verantwortlich ist. Offensichtlich, Mehr integrierte ICs reduzieren die Herausforderungen im Antennendesign deutlich, und als Antennen kleiner und kleiner werden, Immer mehr elektronische Komponenten werden in immer kleinere Räume integriert, Das Antennendesign erfordert neue Halbleitertechnologie, um die Machbarkeit der Lösung zu verbessern.
Die Antenne Patch auf der Oberseite der PCB, and the IC is located on the back of the Antenne PCB.
Digital beamforming and analog beamforming
Most phased array antennas designed in the past few years have used analog beamforming technology, in dem die Phasenanpassung bei HF- oder IF-Frequenzen durchgeführt wird, und die gesamte Antenne verwendet einen Satz von Datenkonvertern. Die Menschen achten immer mehr auf digitales Beamforming, wobei jedes Antennenelement einen Satz von Datenkonvertern hat, und die Phasenanpassung erfolgt digital im FPGA oder einigen Datenkonvertern. Digital Beamforming hat viele Vorteile, Von der Fähigkeit, mehrere Strahlen einfach zu übertragen, bis hin zur sofortigen Änderung der Anzahl der Strahlen. Diese überlegene Flexibilität ist in vielen Anwendungen äußerst attraktiv, und es spielt auch eine Rolle bei der Förderung seiner Popularisierung. Kontinuierliche Verbesserungen bei Datenkonvertern haben den Stromverbrauch gesenkt und auf höhere Frequenzen ausgeweitet. RF-Abtastung im L- und S-Band macht diese Technologie auf Radarsysteme anwendbar. Bei der Betrachtung von analogen und digitalen Beamforming-Optionen, viele Faktoren müssen berücksichtigt werden, aber die Analyse hängt normalerweise von der Anzahl der benötigten Strahlen ab, Stromverbrauch, und Kostenziele. Das digitale Beamforming-Verfahren hat in der Regel einen hohen Stromverbrauch, da jede Komponente mit einem Datenkonverter ausgestattet ist, aber es ist extrem flexibel und bequem in der Bildung mehrerer Balken. Datenkonverter benötigen auch einen höheren Dynamikbereich, Denn Beamforming, das Blockieren ablehnt, kann erst nach Digitalisierung erfolgen.