電子設計 - 位相制御アレイビーム形成ICはアンテナ設計を簡略化する

アンテナで信号を送受信する無線電子システムは100年以上も稼働している。これらの電子システムは、精度、効率、およびより高いレベルの指標がますます重要になるにつれて改善されていきます。過去数年間、ディスクアンテナは送信（Tx）と受信（Rx）信号のために広く使用されており、その中で指向性は非常に重要であり、長年の最適化を経て、これらのシステムの多くは比較的低コストでよく使用することができる。走るこれらのディスクアンテナは、放射方向を回転させるためのアームを有する。これらには、ステアリングが遅い、物理的なサイズが大きい、長期的な信頼性が悪い、1つの放射パターンまたはデータストリームだけが要件を満たしているなどの欠点があります。そのため、エンジニアたちはこれらの特性を改善し、新しい機能を追加するために先進的なフェーズアレイアンテナ技術に転向した。位相制御アレイアンテナは電動ステアリング機構を採用し、従来の機械ステアリングアンテナと比べて、高度低/小型、長期信頼性が高く、ステアリングが速く、多ビームなどの利点がある。これらの利点により、軍事、衛星通信、車ネットワーク、5 G通信などの分野に広く応用されている。

フェーズアレイぎじゅつ

フェーズアレイアンテナは、各要素の放射線図が隣接するアンテナの放射線図と構造的に結合され、プライマリローブと呼ばれる有効放射線図を形成する、一緒に組み立てられたアンテナ要素の集合である。主弁は所望の位置で放射エネルギーを放射し、設計に基づいて、アンテナは破壊的に不要な方向の信号を干渉し、無効な信号とサイド弁を形成する責任を負う。アンテナアレイは、サイドローブ放射のエネルギーを許容可能なレベルに低下させながら、メインローブ放射のエネルギーを最大化するように設計されている。放射方向は、各アンテナ素子に供給される信号の位相を変化させることにより操作することができる。図1は、各アンテナにおける信号の位相を調整することにより、線形アレイのターゲット方向における有効なビームを制御する方法を示している。したがって、アレイ内の各アンテナは、所望の放射方向図を形成するために独立した位相および振幅設定を有する。機械的な運動部品がないため、位相制御アレイにおける高速ビーム制御の特性は容易に理解できる。ICベースの半導体位相調整は数ナノ秒以内に完了することができ、これにより放射パターンの方向を変更し、新たな脅威やユーザーに迅速に反応することができます。同様に、放射線ビームから有効なゼロ点に変化して干渉信号を吸収し、物体を見えない飛行機のように見せることができます。放射線方向図を再配置したり、位相設定を電気的に変更するために機械部品ではなくICベースのデバイスを使用することができるので、有効なゼロ点に変更したりすることができます。メカニカルアンテナに対するフェーズアレイアンテナの別の利点は、複数のビームを同時に放射することができるため、複数のターゲットを追跡したり、複数のデータストリームのユーザデータを管理したりすることができるということです。これは、ベースバンド周波数における複数のデータストリームをデジタル信号処理することによって実現される。

アレイの典型的な実装では、4*4設計を採用した行と列の等間隔に配列されたパッチアンテナ要素が使用され、これは合計16個の要素があることを意味します。図2は、パッチアンテナが放射器である小型の4×4アレイを示している。地盤レーダシステムでは、このアンテナアレイは非常に大きくなり、100000個を超える素子がある可能性があります。

設計では、アレイのサイズと各放射要素の電力とのトレードオフ関係を考慮しなければならない。これらの素子はビームの指向性と有効放射電力に影響を与える。アンテナの性能は、一般的な品質要因のいくつかを検査することによって予測することができる。通常、アンテナ設計者はアンテナ利得、有効等方性放射電力（EIRP）、Gt/Tnを考慮します。次の式に示すパラメータを記述するために使用できる基本方程式があります。アンテナ利得とEIRPはアレイ内の素子数に比例することが分かる。

内訳：N=要素数、Ge＝素子利得、Gt＝アンテナ利得、Pt=トランスミッタの総電力、Pe＝各要素の電力、Tn＝ノイズ温度。

フェーズアレイアンテナ設計のもう1つの重要な側面は、アンテナ要素の間隔である。コンポーネントの数を設定してシステム目標を決定すると、物理アレイの直径はセルコンポーネントごとのサイズ制限に大きく依存し、このサイズ制限はラスタローブを防ぐことができるので波長の約半分未満になります。ラスタローブは、無駄な方向に放射されるエネルギーに相当する。これはアレイに入る電子機器に対して厳しい要求を提出し、これらの機器は体積が小さく、電力が低く、軽量でなければならない。半波長間隔は、各ユニット部品の長さが小さくなるため、より高い周波数での設計に特に挑戦的である。これにより、高周波ICの統合が促進され、パッケージソリューションがより先進的になり、ますます困難になっている熱管理技術が簡素化されます。

アンテナ全体を構築する際、アレイ設計は制御回路配線、電源管理、パルス回路、放熱管理、環境配慮など多くの課題に直面しています。業界では、小型および軽量の低断面アレイへの移行を促す大きな推進力があります。従来の回路基板構造では、アンテナPCBの裏面に垂直に電子部品が供給される小型PCB基板が用いられていた。過去20年間、この方法は絶えず改良され、回路基板のサイズを減少させ、アンテナの深さを減少させてきた。次世代の設計は、各ICが十分に高い集積度を持ち、アンテナボードの背面に簡単に設置でき、アンテナの深さを大幅に削減し、ポータブルアプリケーションやオンボードアプリケーションにロードしやすくするための、このようなボード構造からタブレット方法に移行します。図3において、左図はPCB上部の金色パッチアンテナ素子を示し、右図はPCB下部のアンテナシミュレーションフロントエンドを示す。これはアンテナのサブセットにすぎず、周波数変換段階がアンテナの一端で発生する可能性がある、また、単一のRFからアレイ全体に入力するルーティングを担当する割当てネットワークでもあります。明らかに、より多くの集積回路はアンテナ設計の課題を大幅に減らし、アンテナがますます小さくなるにつれて、ますます多くの電子部品がますます小さい空間に集積され、アンテナ設計には新しい半導体技術がソリューションの実行可能性を高めるのに役立つ必要がある。アンテナパッチはPCBの上部にあり、ICはアンテナPCBの背面にある。デジタルビーム形成とアナログビーム形成の過去数年間に設計されたほとんどの位相制御アレイアンテナは、RFまたはIF周波数で位相調整を行い、アンテナ全体でデータ変換器のセットを使用するアナログビーム形成技術を使用している。各アンテナ素子にはFPGAまたはいくつかのデータ変換器においてデジタル的に行われるデータ変換器のセットがあるデジタルビームフォーミングがますます注目されている。デジタルビーム形成には、複数のビームを容易に伝送する能力から、ビーム数をすぐに変更することまで、多くの利点がある。このような優れた柔軟性は多くの応用の中で非常に魅力的であり、その普及にも促進作用を果たしている。データ変換器の継続的な改善により、消費電力が削減され、より高い周波数に拡張されます。L帯域とS帯域の無線周波数サンプリングは、この技術をレーダシステムに適用する。シミュレーションとデジタルビーム形成オプションを同時に考慮する場合は、多くの要素を考慮する必要がありますが、分析は通常、必要なビームの数、消費電力、コスト目標に依存します。ディジタルビーム形成方法は、各コンポーネントにデータ変換器が搭載されているが、複数のビームを形成する際に非常に柔軟で便利であるため、一般的に高消費電力を有する。ブロックを拒否するビームフォーミングはデジタル化後にしかできないため、データ変換器はさらに高いダイナミックレンジを必要とします。