전자 설계 - 위상 제어 빔 형성 IC로 안테나 설계 간소화

안테나로 신호를 보내고 받는 무선 전자 시스템은 100년 넘게 작동해 왔다.정확성, 효율성 및 더 높은 수준의 지표가 중요해짐에 따라 이러한 전자 시스템은 지속적으로 개선될 것입니다.지난 몇 년 동안 디스크 안테나는 송신 (Tx) 및 수신 (Rx) 신호에 널리 사용되었으며 그 중 방향성이 매우 중요하며 수년간의 최적화를 통해 이러한 시스템의 많은 부분이 상대적으로 낮은 비용으로 잘 사용될 수 있습니다.뛰어이러한 디스크 안테나에는 방사선 방향을 회전하는 데 사용되는 로봇 팔이 있습니다.회전이 느리고 물리적 크기가 크며 장기적인 신뢰성이 떨어지며 방사선 모드 또는 데이터 스트림만 요구 사항에 부합하는 단점이 있습니다.따라서 엔지니어들은 이러한 특성을 개선하고 새로운 기능을 추가하기 위해 첨단 위상 배열 안테나 기술로 전환했습니다.위상배열 안테나는 전동 조향 기구를 사용해 기존의 기계 조향 안테나에 비해 고도가 낮고 부피가 작으며 장기적인 신뢰성이 높고 조향이 빠르며 다중 빔 등의 장점이 있다. 이러한 장점으로 위상배열 안테나는 이미 군사, 위성통신, 커넥티드카, 5G 통신 등 분야에 널리 응용되고 있다.

위상 배열 기술

위상배열 안테나는 함께 조립된 안테나 소자의 집합으로, 그 중 각 소자의 방사선 방향도는 구조적으로 인접한 안테나의 방사선 방향도와 결합하여 주판이라고 불리는 유효한 방사선 방향도를 형성한다.주판은 필요한 위치에서 복사에너지를 발사하는데 설계에 따라 안테나는 파괴적으로 무용방향의 신호를 교란하여 무효신호와 방판을 형성한다.안테나 배열은 주 판막에서 방사되는 에너지를 최대화하는 동시에 옆 판막에서 방사되는 에너지를 수용 가능한 수준으로 낮추도록 설계됐다.각 안테나 컴포넌트에 전달되는 신호의 위상을 변경하여 방사선 방향을 조작할 수 있습니다.그림 1은 각 안테나에서 신호의 위상을 조정하여 선형 배열 대상 방향에서 유효한 빔을 제어하는 방법을 보여줍니다.따라서 패턴의 각 안테나에는 필요한 방사선 방향도를 형성하기 위해 별도의 위상 및 폭 설정이 있습니다.기계 동작 부품이 없으므로 위상 배열의 빠른 빔 제어 특성을 쉽게 이해할 수 있습니다.IC 기반 반도체 위상 조정은 몇 나노초 안에 완료될 수 있으므로 방사선 패턴의 방향을 변경하고 새로운 위협이나 사용자에게 빠르게 대응할 수 있습니다.이와 마찬가지로 우리는 복사빔에서 효과적인 령점으로 변하여 교란신호를 흡수하여 물체를 보이지 않는 비행기처럼 보이지 않게 할수 있다.방사선 방향 다이어그램을 재배치하거나 위상 설정을 전기적으로 변경하기 위해 기계 부품이 아닌 IC 기반 장치를 사용할 수 있기 때문에 유효한 0점으로 변경할 수 있습니다.기계 안테나에 비해 위상 배열 안테나의 또 다른 장점은 여러 빔을 동시에 방사할 수 있기 때문에 여러 대상을 추적하거나 여러 데이터 흐름의 사용자 데이터를 관리할 수 있다는 것이다.이는 베이스밴드 주파수 아래의 여러 데이터 흐름에 대한 디지털 신호 처리를 통해 이루어진다.

이 배열의 전형적인 구현은 행과 열 등의 간격으로 배열된 패치 안테나 소자를 사용하며, 4 * 4로 설계되어 총 16개의 소자가 있다는 것을 의미한다.그림 2는 패치 안테나가 스포일러인 소형 4 * 4 어레이를 보여줍니다.이 안테나 어레이는 지반 레이더 시스템에서 매우 커질 수 있으며 100000 개 이상의 컴포넌트가 있을 수 있습니다.

설계에서는 패턴의 크기와 각 방사선 컴포넌트의 전력 간의 균형 관계를 고려해야 합니다.이러한 컴포넌트는 빔의 방향성과 유효한 복사 전력에 영향을 줍니다.일반적인 품질 요소를 검사하여 안테나의 성능을 예측할 수 있습니다.일반적으로 안테나 설계자는 안테나 이득, 유효한 각방향 동성 복사 전력 (EIRP) 및 Gt/Tn을 고려합니다.다음 방정식에 표시된 매개변수를 설명하는 데 사용할 수 있는 기본 방정식이 있습니다.안테나 이득과 EIRP가 어레이의 컴포넌트 수에 비례한다는 것을 알 수 있습니다.

여기서 N= 요소 수,Ge= 컴포넌트 이득;Gt= 안테나 이득;Pt= 트랜스미터 총 전력;Pe = 각 요소의 전력;Tn= 노이즈 온도.

위상 배열 안테나 설계의 또 다른 핵심 측면은 안테나 컴포넌트의 간격입니다.일단 구성 요소 수를 설정하여 시스템 목표를 결정하면 물리적 패턴 지름은 래스터 파판을 방지하기 때문에 각 유닛 구성 요소의 크기 제한에 크게 좌우됩니다.래스터 파판은 쓸모없는 방향으로 방사되는 에너지에 해당한다.이것은 크기가 작고 전력이 낮으며 무게가 가벼워야 하는 어레이에 들어가는 전자 장치에 대한 엄격한 요구 사항입니다.반파장 간격은 각 유닛 부품의 길이가 더 작아지기 때문에 더 높은 주파수에서의 설계에 특히 도전적입니다.이를 통해 고주파 IC의 통합을 촉진하고 패키징 솔루션을 더욱 진보시켰으며 갈수록 어려워지는 열 관리 기술을 간소화했다.

전체 안테나를 구축할 때 어레이 설계는 제어 회로 배선, 전력 관리, 펄스 회로, 발열 관리, 환경 고려 등 많은 도전에 직면해 있습니다. 업계에는 소형 및 경량 저단면 어레이로 나아가는 큰 추진력이 있습니다.전통적인 회로 기판 구조는 소형 PCB 기판을 사용하며, 전자 부품은 그 위에 안테나 PCB의 뒷면으로 수직으로 공급된다.지난 20 년 동안 이 방법은 회로 기판의 크기를 줄여 안테나의 깊이를 줄이기 위해 지속적으로 개선되었습니다.차세대 디자인은 이 보드 구조에서 태블릿 방법으로 전환되었다. 태블릿 방법에서 각 IC는 안테나 보드의 뒷면에 간단히 설치할 수 있는 충분한 집적도를 가지고 있어 안테나의 깊이를 크게 줄여 휴대용 응용 프로그램이나 온보드 응용 프로그램에 쉽게 로드할 수 있다.그림 3에서 왼쪽 그림은 PCB 상단의 금색 패치 안테나 컴포넌트를, 오른쪽 그림은 PCB 하단의 안테나 시뮬레이션 프런트엔드를 보여줍니다.이것은 안테나의 하위 집합일 뿐이며, 그 중 주파수 변환 단계는 안테나의 한쪽 끝에서 발생할 수 있다;또한 단일 RF에서 전체 어레이로 가져오는 라우팅을 담당하는 할당 네트워크입니다.분명히, 더 많은 집적 회로는 안테나 설계의 도전을 크게 감소시킵니다. 안테나가 점점 더 작아지고 점점 더 많은 전자 부품이 점점 더 작은 공간에 집적됨에 따라 안테나 설계는 솔루션의 타당성을 높이기 위해 새로운 반도체 기술이 필요합니다.디지털 빔 성형 및 아날로그 빔 성형 지난 몇 년 동안 설계된 대부분의 위상 배열 안테나는 아날로그 빔 성형 기술을 사용하여 RF 또는 IF 주파수에서 위상 조정을 수행하며 전체 안테나는 데이터 변환기 세트를 사용합니다.사람들은 점점 더 디지털 빔 성형에 관심을 기울이고 있습니다. 각 안테나 컴포넌트에는 FPGA 또는 일부 데이터 변환기에서 디지털 방식으로 위상 조정이 수행되는 데이터 변환기 세트가 있습니다.디지털 빔 형성은 여러 빔을 쉽게 전송할 수 있는 능력에서 심지어 빔 수를 즉시 변경할 수 있는 이점이 많다.이러한 우수한 유연성은 많은 응용에서 매우 매력적이며 또한 그 보급을 촉진하는 역할을 한다.데이터 변환기의 지속적인 개선으로 전력 소비량이 감소하고 주파수가 향상되었습니다.L-밴드와 S-밴드의 무선 주파수 샘플링으로 이 기술은 레이더 시스템에 적용된다.아날로그와 디지털 빔 형성 옵션을 동시에 고려할 때 많은 요소를 고려해야 하지만 분석은 일반적으로 필요한 빔의 수, 전력 소비량 및 비용 목표에 따라 달라집니다.각 구성 요소에 데이터 변환기가 장착되어 있기 때문에 일반적으로 높은 전력 소비량을 갖는 디지털 빔 형성 방법은 여러 빔을 형성할 때 매우 유연하고 편리합니다.데이터 변환기는 차단을 거부하는 빔 형성은 디지털화 이후에만 가능하기 때문에 더 높은 동적 범위가 필요합니다.