電路設計 - 相控陣波束形成集成電路簡化天線設計

依靠天線發送和接收訊號的無線電子系統已經運行了100多年. As準確性, 效率, 更高層次的名額變得越來越重要, 這些電子系統將不斷改進. 過去幾年, dish antennas have been widely used for transmitting (Tx) and receiving (Rx) signals, 其中方向性非常重要, 經過多年的優化, 這些系統中的許多都可以以相對較低的成本很好地使用. 跑. 這些碟形天線有一個機械臂，用於旋轉輻射方向. 他們確實有一些缺點, 包括慢轉彎, 物理尺寸大, 長期可靠性差, 並且只有一個符合要求的輻射模式或資料流程. 因此, 工程師們已經轉向先進的相控陣天線科技來改進這些特性並添加新功能. 相控陣天線採用電動轉向機构, 與傳統的機械轉向天線相比有很多優點, 例如低高度/小尺寸, 更高的長期可靠性, 快速轉向 , 多波束, 等. 有了這些優勢, 相控陣天線在軍事上有著廣泛的應用, 衛星通信, 車輛互聯網, 5G通信等領域.

相控陣科技

相控陣天線是一組組裝在一起的天線元件, 其中，每個元件的輻射方向圖在結構上與相鄰天線的輻射方向圖相結合，形成稱為主瓣的有效輻射方向圖. 主瓣在所需位置發射輻射能量, 根據設計, 天線負責破壞性干擾無用方向的訊號, 形成無效訊號和旁瓣. 天線陣列設計用於最大化主瓣輻射的能量，同時將副瓣輻射的能量降低到可接受的水准. 可以通過改變饋入每個天線單元的訊號相位來控制輻射方向. 圖1顯示了如何通過調整每個天線中訊號的相位來控制線陣目標方向上的有效波束. 因此, 陣列中的每個天線都有獨立的相位和振幅設定，以形成所需的輻射方向圖. 因為沒有機械運動部件, 很容易理解相控陣中快速波束控制的特性 . 基於IC 電晶體相位調整可以在幾納秒內完成, 這樣我們就可以改變輻射模式的方向，對新的威脅或用戶做出快速反應. 類似地, 我們可以將輻射光束變為有效零點來吸收干擾訊號, 使對象看起來不可見, 就像隱形飛機一樣. 重新定位輻射模式或更改為有效零點, 這些更改幾乎可以立即完成, 因為我們可以用基於IC的設備代替機械部件來改變相位設定. 與機械天線相比，相控陣天線的另一個優點是它可以同時輻射多個波束, 囙此，它可以跟踪多個目標或管理多個資料流程的用戶數據. 這是通過在基帶頻率下對多個資料流程進行數位信號處理來實現的.

該陣列的一個典型實現使用按行和列等距排列的貼片天線單元，採用4×4設計，這意味著總共有16個單元。 圖2顯示了一個小的4*4陣列，其中貼片天線是散熱器。 在地基雷達系統中，這種天線陣列可能會變得非常大，可能有超過100000個單元。

在設計中，應考慮陣列尺寸與每個輻射單元功率之間的權衡關係。 這些元件將影響波束的方向性和有效輻射功率。 通過檢查一些常見的質量因素，可以預測天線的效能。 通常，天線設計師會考慮天線增益、有效各向同性輻射功率（EIRP）和Gt/Tn。有一些基本方程可用於描述以下方程中所示的參數。 我們可以看到，天線增益和EIRP與陣列中的單元數成正比。

其中：N=元素數； Ge=元件增益； Gt=天線增益； Pt=變送器總功率； Pe=每個元件的功率； Tn=雜訊溫度。

相控陣天線設計的另一個關鍵方面是天線單元的間距。 一旦我們通過設定組件數量來確定系統目標，物理陣列直徑在很大程度上取決於每個單元組件的大小限制，該限制小於波長的一半左右，因為它可以防止光栅波瓣。 光栅的波瓣相當於無用方向上輻射的能量。 這對進入陣列的電子設備提出了嚴格的要求，這些設備必須體積小、功率低、重量輕。 半波長間距對於更高頻率的設計尤其具有挑戰性，因為每個單元組件的長度變得更小。 這推動了高頻集成電路的集成，促使封裝解決方案變得更加先進，並簡化了日益困難的熱管理科技。

當我們建造整個天線時, 陣列設計面臨許多挑戰, 包括控制電路佈線, 電源管理, 脈衝電路, 散熱管理, 環境因素, 等. 業界有一股巨大的驅動力，促使我們朝著小型輕薄陣列的方向發展. 傳統的電路板結構使用小型 印刷電路板 board, 其上的電子元件垂直饋入天線背面 印刷電路板. 在過去的20年裏, 該方法已不斷改進，以不斷减小電路板的尺寸, 從而减少天線的深度. 下一代設計從這種板結構轉向了平板方法, 每個IC具有足够高的集成度，可以簡單地安裝在天線板的背面, 大大减少了天線的深度，使其更容易加載到可擕式應用程序或車載應用程序中. 在圖3中, 左圖顯示了位於 印刷電路板, 右圖顯示了天線類比前端位於 印刷電路板. 這只是天線的一個子集, 其中，頻率轉換級可能發生在天線的一端； 它也是一個分配網絡，負責從單個射頻輸入到整個陣列的路由. 明顯地, 集成度更高的集成電路大大减少了天線設計中的挑戰, 隨著天線越來越小, 越來越多的電子元件被集成到越來越小的空間中, 天線設計需要新的電晶體科技來幫助提高解決方案的可行性.
位於 印刷電路板, and the IC is located on the back of the 天線印刷電路板.
Digital beamforming and analog beamforming
Most phased array antennas designed in the past few years have used analog beamforming technology, 在RF或IF頻率下進行相位調整, 整個天線使用一組資料轉換器. 數位波束形成越來越受到人們的重視, 其中每個天線單元都有一組資料轉換器, 相位調整是在FPGA或一些資料轉換器中以數位管道完成的. 數位波束形成有很多好處, 從輕鬆傳輸多個波束的能力到甚至即時改變波束數量的能力. 這種優越的靈活性在許多應用中都極具吸引力, 並對其推廣起到一定的促進作用. 資料轉換器的不斷改進降低了功耗並擴展到更高的頻率. L波段和S波段的射頻採樣使該科技適用於雷達系統. 同時考慮類比和數位波束形成選項時, 需要考慮許多因素, 但分析通常取決於所需的梁數, 功耗, 和成本目標. 數位波束形成方法通常具有高功耗，因為每個組件都配備了資料轉換器, 但它在形成多個梁時非常靈活和方便. 資料轉換器還需要更高的動態範圍, 因為拒絕阻塞的波束形成只能在數位化後進行.