Diseño electrónico - Diseño de antenas simplificadas de Matriz escalonada beamforming IC

Los sistemas electrónicos inalámbricos basados en antenas han estado funcionando durante más de 100 años. Como precisión, Eficiencia, Los indicadores de nivel superior son cada vez más importantes, Estos sistemas electrónicos seguirán mejorando. Los últimos años, dish antennas have been widely used for transmitting (Tx) and receiving (Rx) signals, La direccionalidad es muy importante, Después de años de optimización, Muchos de estos sistemas se pueden utilizar bien a un costo relativamente bajo. Correr. Estas antenas tienen un brazo mecánico que gira la dirección de la radiación. Tienen algunos defectos., Incluyendo giros lentos, Gran tamaño físico, Baja fiabilidad a largo plazo, Sólo un patrón de radiación o flujo de datos cumple los requisitos. Por consiguiente,, Los ingenieros han recurrido a la tecnología avanzada de antenas de matriz por fases para mejorar estas características y añadir nuevas. La antena de Matriz escalonada adopta el mecanismo de dirección eléctrica, En comparación con la antena de dirección mecánica tradicional, tiene muchas ventajas., Por ejemplo, baja altura/Pequeño tamaño, Mayor fiabilidad a largo plazo, Dirección rápida , Multihaz, Etc.. Con estas ventajas, Las antenas de Matriz escalonada se han utilizado ampliamente en el campo militar, Comunicaciones por satélite, Internet vehicular, Comunicación 5G, Etc...

Tecnología de Matriz escalonada

Una antena de Matriz escalonada es una colección de elementos de antena ensamblados juntos., El patrón de radiación de cada elemento se combina con el patrón de radiación de la antena adyacente para formar una dirección de radiación efectiva, que se llama lóbulo principal.. El lóbulo principal emite energía radiante en la posición deseada, Y de acuerdo con el diseño, La antena interferirá destructivamente con las señales en direcciones inútiles, Formación de señales inválidas y lóbulos laterales. Los conjuntos de antenas están diseñados para maximizar la energía de la radiación del lóbulo principal y reducir la energía de la radiación del lóbulo lateral a un nivel aceptable.. La Dirección de la radiación puede controlarse cambiando la fase de la señal alimentada a cada elemento de la antena. La figura 1 muestra cómo controlar el haz efectivo en la dirección del objetivo de la matriz lineal ajustando la fase de la señal en cada antena. Por consiguiente,, Cada antena de la matriz tiene una configuración independiente de fase y amplitud para formar el patrón de radiación deseado. Porque no hay partes móviles mecánicas, Las características del control rápido del haz en la matriz por fases son fáciles de entender Basado en IC El ajuste de fase de semiconductores se puede lograr en unos pocos nanosegundos, Para que podamos cambiar la dirección de los patrones de radiación y responder rápidamente a nuevas amenazas o usuarios. Similarly, Podemos convertir el haz de radiación en un punto cero efectivo para absorber la señal de interferencia, Hacer que los objetos parezcan invisibles, Como un avión invisible. Reposición del modo de radiación o cambio a un punto cero válido, Estos cambios se pueden hacer casi inmediatamente, Porque podemos usar dispositivos basados en ci en lugar de componentes mecánicos para cambiar la configuración de fase electrónicamente. Otra ventaja de la antena de Matriz escalonada en comparación con la antena mecánica es que puede irradiar múltiples vigas simultáneamente., Por lo tanto, puede rastrear datos de usuario para múltiples objetivos o administrar múltiples flujos de datos. Esto se logra mediante el procesamiento digital de señales de múltiples flujos de datos a frecuencias de Banda base.

La implementación típica de la matriz es el uso de elementos de antena de parche dispuestos equidistantemente, utilizando el diseño de 4 * 4, es decir, un total de 16 unidades. La figura 2 muestra una pequeña matriz de 4 * 4, donde la antena de parche es un radiador. En los sistemas de radar terrestre, estos conjuntos de antenas pueden ser muy grandes y tener más de 100.000 unidades.

En el diseño, se debe considerar la relación de compensación entre el tamaño de la matriz y la Potencia de cada elemento radiante. Estos elementos afectarán la direccionalidad del haz y la Potencia radiada efectiva. El rendimiento de la antena se puede predecir examinando algunos factores de calidad comunes. En general, los diseñadores de antenas tienen en cuenta la ganancia de antena, la Potencia de radiación isotrópica efectiva (EIRP) y GT / TN. Hay algunas ecuaciones básicas que se pueden utilizar para describir los parámetros mostrados en las siguientes ecuaciones. Podemos ver que la ganancia de la antena y el EIRP son proporcionales al número de elementos en la matriz.

Donde: n = N úmero de elementos; Ge = ganancia del elemento; GT = ganancia de antena; Pt = potencia total del transmisor; Pe = potencia de cada elemento; TN = temperatura del ruido.

Otro aspecto clave del diseño de la antena de Matriz escalonada es el espaciamiento de los elementos de la antena. Una vez que determinamos el objetivo del sistema estableciendo el número de elementos, el diámetro de la matriz física depende en gran medida del límite de tamaño de cada elemento, es decir, menos de la mitad de la longitud de onda, ya que previene los lóbulos de rejilla. Los lóbulos de rejilla son equivalentes a la energía irradiada en direcciones inútiles. Esto plantea requisitos estrictos para los dispositivos electrónicos que entran en la matriz, que deben ser de pequeño tamaño, baja potencia y peso ligero. El espaciamiento de la mitad de la longitud de onda es especialmente difícil para el diseño de frecuencias más altas, ya que la longitud de cada componente celular se hace más pequeña. Esto impulsa la integración de CI de mayor frecuencia, impulsa soluciones de empaquetado más avanzadas y simplifica las técnicas de gestión térmica cada vez más difíciles.

Cuando construimos toda la antena, El diseño de la matriz se enfrenta a muchos desafíos, Incluyendo el cableado del Circuito de control, Gestión de la energía, Circuito de pulso, Gestión de la disipación de calor, Factores ambientales, etc. Hay un gran impulso dentro de la industria que nos impulsa a pasar a conjuntos delgados pequeños y ligeros. La estructura tradicional de la placa de circuito utiliza la miniaturización Placa de circuito impreso Tabla, Los componentes electrónicos se alimentan verticalmente en la parte posterior de la antena Placa de circuito impreso. Los últimos 20 años, El método se mejora continuamente para reducir el tamaño de la placa de circuito, Para reducir la profundidad de la antena. El diseño de la próxima generación cambia de esta estructura de placas a un método de placas, Cada IC tiene un grado de integración lo suficientemente alto como para montarse simplemente en la parte posterior de la placa de antena, Reducir significativamente la profundidad de la antena para facilitar su carga en aplicaciones portátiles o aplicaciones de vehículos. En la figura 3, La imagen de la izquierda muestra el elemento de antena de parche dorado en la parte superior Placa de circuito impreso, La imagen de la derecha muestra el Front end analógico de la antena, situado en Placa de circuito impreso. Esto es sólo un subconjunto de antenas, La fase de conversión de frecuencia puede ocurrir en un extremo de la antena. También es una red de distribución responsable del enrutamiento de una sola entrada de radiofrecuencia a toda la matriz. Visiblemente, Los circuitos integrados más integrados reducen en gran medida el desafío del diseño de antenas, A medida que la antena se hace más pequeña, Cada vez más componentes electrónicos se integran en un espacio cada vez más pequeño, El diseño de antenas requiere una nueva tecnología de semiconductores para ayudar a mejorar la viabilidad de la solución.
Cableado de antena en la parte superior Placa de circuito impreso, and the IC is located on the back of the Placa de circuito impreso de antena.
Digital beamforming and analog beamforming
Most phased array antennas designed in the past few years have used analog beamforming technology, Donde el ajuste de fase se realiza a frecuencias RF o IF, Toda la antena utiliza un conjunto de convertidores de datos. Beamforming digital atrae cada vez más atención, Cada elemento de antena tiene un conjunto de convertidores de datos, El ajuste de fase se realiza digitalmente en FPGA o en algunos convertidores de datos. La beamforming digital tiene muchas ventajas, Desde la capacidad de transportar fácilmente múltiples haces de luz, incluso puede cambiar instantáneamente el número de haces de luz. Esta flexibilidad superior es atractiva en muchas aplicaciones, También desempeña un papel en la promoción de su popularización.. La mejora continua del convertidor de datos reduce el consumo de energía y se extiende a frecuencias más altas. El muestreo de radiofrecuencia en banda L y Banda S hace que esta técnica sea adecuada para el sistema de radar.. Cuando se consideran tanto las opciones analógicas como las digitales beamforming, Hay muchos factores que deben tenerse en cuenta, Sin embargo, el análisis suele depender del número de vigas necesarias., Consumo de energía, Objetivos de costes. Los métodos de beamforming digital suelen tener un alto consumo de energía, ya que cada componente está equipado con un convertidor de datos, Pero es muy flexible y conveniente para formar múltiples vigas.. Los convertidores de datos también requieren un mayor rango dinámico, Porque la beamforming de rechazo de bloqueo sólo se puede hacer después de la digitalización.