Progettazione PCB - L'IC phased array beamforming semplifica la progettazione dell'antenna

Il sottosistema radio che si basa sulle antenne per inviare e ricevere segnali è in funzione da più di 100 anni. Poiché l'accuratezza, l'efficienza e gli indicatori di livello superiore diventano sempre più importanti, questi sistemi elettronici continueranno a migliorare e migliorare. Negli ultimi anni, le antenne paraboliche sono state ampiamente utilizzate per trasmettere (Tx) e ricevere (Rx) segnali, dove la direttività è molto importante, e dopo anni di ottimizzazione, molti di questi sistemi possono essere utilizzati bene ad un costo relativamente basso. Corri. Queste antenne paraboliche hanno un braccio robotico per ruotare la direzione della radiazione. Hanno alcune carenze, tra cui la tornitura lenta, grandi dimensioni fisiche, scarsa affidabilità a lungo termine e solo un modello di radiazione o flusso di dati che soddisfa i requisiti. Pertanto, gli ingegneri si sono rivolti alla tecnologia avanzata dell'antenna phased array per migliorare queste caratteristiche e aggiungere nuove funzioni. L'antenna phased array adotta il meccanismo di sterzo elettrico, che ha molti vantaggi rispetto all'antenna di sterzo meccanica tradizionale, quali bassa altezza/piccola dimensione, maggiore affidabilità a lungo termine, sterzo veloce, multi-beam, ecc Con questi vantaggi, le antenne phased array sono state ampiamente utilizzate in militari, comunicazioni satellitari, Internet dei veicoli, comunicazioni 5G e altri campi.

Tecnologia a matrice di fasi

Un'antenna phased array è una raccolta di elementi di antenna assemblati insieme, dove il modello di radiazione di ogni elemento è strutturalmente combinato con il modello di radiazione dell'antenna adiacente per formare un modello di radiazione efficace chiamato lobo principale. Il lobo principale emette energia irradiata nella posizione desiderata e, secondo il design, l'antenna è responsabile di interferire distruttivamente con i segnali in direzioni inutili, formando segnali non validi e lobi laterali. L'antenna è progettata per massimizzare l'energia irradiata dal lobo principale riducendo l'energia irradiata dal lobo laterale ad un livello accettabile. La direzione della radiazione può essere manipolata cambiando la fase del segnale immesso in ogni elemento dell'antenna. La figura 1 mostra come controllare il fascio effettivo nella direzione di destinazione dell'array lineare regolando la fase del segnale in ogni antenna. Di conseguenza, ogni antenna nell'array ha impostazioni indipendenti di fase e ampiezza per formare il modello di radiazione desiderato. Poiché non ci sono parti mobili meccaniche, è facile capire le proprietà dello sterzo rapido del fascio nell'array phased . La regolazione di fase a semiconduttore basata su IC può essere completata entro pochi nanosecondi, in modo da poter cambiare la direzione del modello di radiazione e rispondere rapidamente a nuove minacce o utenti. Allo stesso modo, possiamo passare da un fascio di radiazioni a un punto nullo efficace per assorbire il segnale di interferenza, facendo apparire l'oggetto invisibile, come nel caso degli aerei invisibili. Riposizionando il modello di radiazione o cambiando al punto zero effettivo, queste modifiche possono essere fatte quasi immediatamente, perché possiamo utilizzare dispositivi basati su IC invece di parti meccaniche per modificare elettricamente l'impostazione di fase. Un altro vantaggio di un'antenna phased array rispetto a un'antenna meccanica è che può irradiare più fasci contemporaneamente, in modo da poter tracciare più bersagli o gestire i dati utente per più flussi di dati. Ciò è ottenuto mediante l'elaborazione digitale del segnale di più flussi di dati alle frequenze della banda base.

Un'implementazione tipica dell'array utilizza elementi di antenna patch disposti a intervalli uguali in righe e colonne, che adotta un design 4 * 4, il che significa che ci sono 16 elementi in totale. Figura 2 mostra un piccolo array 4 * 4 in cui l'antenna patch è un radiatore. Nei sistemi radar terrestri, tali antenne possono diventare molto grandi, possibilmente con più di 100.000 elementi.

Nel progetto, si deve considerare la relazione di compromesso tra la dimensione della matrice e la potenza di ogni elemento radiante. Questi elementi influenzeranno la direttività del fascio e la potenza irradiata effettiva. Le prestazioni dell'antenna possono essere previste esaminando alcuni fattori di qualità comuni. Di solito, i progettisti dell'antenna guarderanno al guadagno dell'antenna, al potere irradiato isotropico efficace (EIRP) e al Gt/Tn. Ci sono alcune equazioni di base che possono essere utilizzate per descrivere i parametri mostrati nelle equazioni seguenti. Possiamo vedere che il guadagno dell'antenna e l'EIRP sono proporzionali al numero di elementi nell'array.

Tra questi: N = numero di elementi; Ge = guadagno degli elementi; Gt = guadagno dell'antenna; Pt = potenza totale del trasmettitore; Pe = potenza di ciascun elemento; Tn = temperatura acustica.

Un altro aspetto chiave della progettazione di antenne phased array è la spaziatura degli elementi dell'antenna. Una volta determinato l'obiettivo del sistema impostando il numero di componenti, il diametro fisico dell'array dipende in gran parte dal limite di dimensione di ogni componente dell'unità, che è inferiore a circa la metà della lunghezza d'onda, perché può impedire i lobi della griglia. I lobi della griglia sono equivalenti all'energia irradiata in direzioni inutili. Questo pone requisiti rigorosi sui dispositivi elettronici che entrano nell'array, che devono essere di piccole dimensioni, di bassa potenza e di peso leggero. La spaziatura di mezza lunghezza d'onda è particolarmente impegnativa per la progettazione a frequenze più elevate, perché la lunghezza di ogni componente dell'unità diventa più piccola. Ciò accelera l'integrazione di IC ad alta frequenza, spinge le soluzioni di imballaggio a diventare più avanzate e semplifica la sempre più difficile tecnologia di gestione termica.

Quando costruiamo l'intera antenna, il design dell'array deve affrontare molte sfide, tra cui l'instradamento dei circuiti di controllo, la gestione dell'energia, i circuiti a impulsi, la gestione della dissipazione del calore, le considerazioni ambientali, ecc. C'è un'enorme forza trainante nel settore che ci spinge a muoversi verso piccoli e leggeri array a basso profilo. La struttura tradizionale del circuito stampato utilizza una piccola scheda PCB, su cui i componenti elettronici vengono alimentati verticalmente nel retro del PCB dell'antenna. Negli ultimi 20 anni, questo metodo è stato continuamente migliorato per ridurre continuamente le dimensioni del circuito stampato, riducendo così la profondità dell'antenna. Il design di nuova generazione passa da questa struttura di scheda a un metodo a schermo piatto, dove ogni IC ha un livello di integrazione sufficientemente alto che può essere semplicemente montato sul retro della scheda antenna, riducendo notevolmente la profondità dell'antenna e rendendola più facile. Nella Figura 3, l'immagine a sinistra mostra l'elemento dell'antenna patch dorata sulla parte superiore del PCB e l'immagine a destra mostra l'estremità anteriore analogica dell'antenna sulla parte inferiore del PCB. Si tratta solo di un sottoinsieme dell'antenna, in cui una fase di conversione di frequenza può verificarsi ad un'estremità dell'antenna; è anche una rete di distribuzione che è responsabile del routing da un singolo ingresso RF all'intero array. Ovviamente, i circuiti integrati più integrati riducono significativamente le sfide nella progettazione dell'antenna, e man mano che le antenne diventano sempre più piccole, sempre più componenti elettronici sono integrati in spazi sempre più piccoli, e la progettazione dell'antenna richiede una nuova tecnologia a semiconduttore per contribuire a migliorare la fattibilità della soluzione. La patch dell'antenna sulla parte superiore del PCB e l'IC si trovano sul retro del PCB dell'antenna. Beamforming digitale e beamforming analogoLa maggior parte delle antenne phased array progettate negli ultimi anni hanno utilizzato la tecnologia analogica beamforming, in cui la regolazione di fase viene eseguita alle frequenze RF o IF, e l'intera antenna utilizza un set di convertitori di dati. Le persone stanno prestando sempre più attenzione al beamforming digitale, dove ogni elemento dell'antenna ha un set di convertitori di dati, e la regolazione di fase viene effettuata digitalmente in FPGA o in alcuni convertitori di dati. Il beamforming digitale ha molti vantaggi, dalla capacità di trasmettere facilmente più fasci a cambiare anche istantaneamente il numero di fasci. Questa flessibilità superiore è estremamente attraente in molte applicazioni, e svolge anche un ruolo nella promozione della sua divulgazione. I continui miglioramenti nei convertitori di dati hanno ridotto il consumo energetico e ampliato a frequenze più elevate. Il campionamento RF nella banda L e nella banda S rende questa tecnologia applicabile ai sistemi radar. Quando si considerano sia le opzioni di beamforming analogiche che digitali, è necessario considerare molti fattori, ma l'analisi di solito dipende dal numero di fasci richiesti, dal consumo energetico e dagli obiettivi di costo. Il metodo di beamforming digitale di solito ha un elevato consumo energetico perché ogni componente è dotato di un convertitore di dati, ma è estremamente flessibile e conveniente nella formazione di più fasci. I convertitori di dati richiedono anche una gamma dinamica più elevata, perché il beamforming che rifiuta il blocco può essere fatto solo dopo la digitalizzazione.