摘要

半導(dǎo)體技術(shù)的進步推動了相控陣天線在整個行業(yè)的普及,。早在幾年前，軍事應(yīng)用中已經(jīng)開始出現(xiàn)從機械轉(zhuǎn)向天線到有源電子掃描天線(AESA)的轉(zhuǎn)變,，但直到最近,，才在衛(wèi)星通信和5G通信中取得快速發(fā)展,。小型AESA具有多項優(yōu)勢，包括能夠快速轉(zhuǎn)向,、生成多種輻射模式,、具備更高的可靠性；但是,，在IC技術(shù)取得重大進展之前,，這些天線都無法廣泛使用。平面相控陣需要采用高度集成、低功耗,、高效率的設(shè)備,，以便用戶將這些組件安裝在天線陣列之后，同時將發(fā)熱保持在可接受的水平,。本文將簡要描述相控陣芯片組的發(fā)展如何推動平面相控陣天線的實現(xiàn),，并采用示例輔助解釋和說明。

簡介

在過去幾年里,，我們在非常重視方向性的場合廣泛使用拋物線碟形天線來發(fā)射和接收信號,。其中許多系統(tǒng)表現(xiàn)出色，在經(jīng)過多年優(yōu)化之后保持了相對較低的成本,。但這些機械轉(zhuǎn)向碟形天線存在一些缺點,。它們體積龐大，操作緩慢,，長期可靠性較差,，而且只能提供一種所需的輻射模式或數(shù)據(jù)流。

相控陣天線采用電信號轉(zhuǎn)向機制,，具有諸多優(yōu)點,，例如高度低，體積小,、更好的長期可靠性,、快速轉(zhuǎn)向、多波束等,。相控陣天線設(shè)計的一個關(guān)鍵方面是天線元件的間隔,。大部分陣列都需要大約半個波長的元件間隔，因此在更高頻率下需要更復(fù)雜的設(shè)計,，由此推動IC在更高頻率下,，實現(xiàn)更高程度的集成，越加先進的封裝解決方案,。

人們對將相控陣天線技術(shù)應(yīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚的興趣,。但是,，受限于目前可用的IC,，工程師無法讓相控陣天線成為現(xiàn)實。近期開發(fā)的IC芯片組成功解決了這一問題,。半導(dǎo)體技術(shù)正朝著先進的硅IC方向發(fā)展,，這讓我們可以將數(shù)字控制、存儲器和RF晶體管組合到同一個IC中,。此外,，氮化鎵(GaN)顯著提高了功率放大器的功率密度，可以幫助大幅減小占位面積。

相控陣技術(shù)

在行業(yè)向體積和重量更小的小型陣列轉(zhuǎn)變期間,，IC起到了重大的推動作用,。傳統(tǒng)的電路板結(jié)構(gòu)基本使用小型PCB板，其上的電子元件垂直饋入天線PCB的背面,。在過去的20年中,，這種方法不斷改進，以持續(xù)減小電路板的尺寸,，從而減小天線的深度,。下一代設(shè)計從這種板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向平板式方法，平板設(shè)計大大減小了天線的深度,，使它們能更容易地裝入便攜應(yīng)用或機載應(yīng)用當(dāng)中,。要實現(xiàn)更小的尺寸，需要每個IC足夠程度的集成,，以便將它們裝入天線背面,。

在平面陣列設(shè)計中，天線背面可用于IC的空間受到天線元件間距的限制,。舉例來說,，在高達60°的掃描角度下，要防止出現(xiàn)光柵波瓣,，最大天線元件間隔需要達到0.54 λ,。圖1顯示了最大元件間距（英寸）和頻率的關(guān)系。隨著頻率提高,，元件之間的間隔變得非常小,，由此擠占了天線背后組件所需的空間。

半導(dǎo)體技術(shù)和封裝

圖3中顯示了作為相控陣天線構(gòu)建模塊的微波和毫米波(mmW) IC組件,。在波束成型部分,，衰減器調(diào)整每個天線元件的功率電平，以減少天線方向圖中的柵瓣,。移相器調(diào)整每個天線元件的相位以引導(dǎo)天線主波束,，并且使用開關(guān)在發(fā)射器和接收器路徑之間切換。在前端IC部分,，使用功率放大器來發(fā)射信號,，使用低噪聲放大器來接收信號，最后,，使用另一個開關(guān)在發(fā)射器和接收器之間進行切換,。在過去的配置中，每個IC都作為獨立的封裝器件提供,。更先進的解決方案使用集成單芯片單通道砷化鎵(GaAs) IC來實現(xiàn)這一功能,。對于大部分陣列,，在波束成型器之前都配有無源RF組合器網(wǎng)絡(luò)、接收器/激勵器和信號處理器,，這一點圖中未顯示,。

相控陣天線技術(shù)近年來的普及離不開半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的推動。SiGe BiCMOS,、絕緣體上硅(SOI)和體CMOS中的高級節(jié)點將數(shù)字和RF電路合并到一起,。這些IC可以執(zhí)行陣列中的數(shù)字任務(wù)，以及控制RF信號路徑,，以實現(xiàn)所需的相位和幅度調(diào)整,。如今，我們已經(jīng)可以實現(xiàn)多通道波束成型IC,，此類IC可在4通道配置中調(diào)整增益和相位,，最多可支持32個通道，可用于毫米波設(shè)計,。在一些低功耗示例中,，基于硅的IC有可能為上述所有功能提供單芯片解決方案。在高功率應(yīng)用中,，基于氮化鎵的功率放大器顯著提高了功率密度,，可以安裝到相控陣天線的單元構(gòu)件中。這些放大器傳統(tǒng)上一般使用基于行波管(TWT)的技術(shù)或基于相對低功耗的GaAs的IC,。

在機載應(yīng)用中,，我們看到了平板架構(gòu)日益盛行的趨勢，因為其同時具有GaN技術(shù)的功率附加效率(PAE)優(yōu)勢,。GaN還使大型地基雷達能夠從由TWT驅(qū)動的碟形天線轉(zhuǎn)向由固態(tài)GaN IC驅(qū)動,、基于相控陣的天線技術(shù)。我們目前能使用單芯片GaN IC,，這類IC能提供超過100 W的功率,，PAE超過50％。將這種效率水平與雷達應(yīng)用的低占空比相結(jié)合,，可以實現(xiàn)表貼解決方案,，以散除外殼基座中產(chǎn)生的熱量。這些表貼式功率放大器大大減小了天線陣列的尺寸,、重量和成本,。在GaN的純功率能力以外，與現(xiàn)有GaAs IC解決方案相比的額外好處是尺寸減小了,。舉例來說,，相比基于GaAs的放大器,，X波段上6 W至8 W的基于GaN的功率放大器占位面積可減少50％或以上,。在將這些電子器件裝配到相控陣天線的單元構(gòu)件中時，這種占位面積的減小有著顯著的意義。

封裝技術(shù)的發(fā)展也大大降低了平面天線架構(gòu)的成本,。高可靠性設(shè)計可能使用鍍金氣密外殼,，芯片和線纜在其內(nèi)部互連。這些外殼在極端環(huán)境下更堅固,，但體積大,，且成本高昂。多芯片模塊(MCM)將多個MMIC器件和無源器件集成到成本相對較低的表貼封裝中,。MCM仍然允許混合使用半導(dǎo)體技術(shù),，以便最大化每個器件的性能，同時大幅節(jié)省空間,。例如,，前端IC中可能包含PA、LNA和T/R開關(guān),。封裝基座中的熱通孔或固體銅廢料被用于散熱,。為了節(jié)省成本，許多商業(yè),、軍事和航空航天應(yīng)用都開始使用成本更低的表貼封裝選項,。

相控陣波束成型IC

集成式模擬波束成型IC一般被稱為核心芯片，旨在為包括雷達,、衛(wèi)星通信和5G通信在內(nèi)的廣泛應(yīng)用提供支持,。這些芯片的主要功能是準(zhǔn)確設(shè)置每個通道的相對增益和相位，以在天線主波束所需的方向增加信號,。該波束成型IC專為模擬相控陣應(yīng)用或混合陣列架構(gòu)而開發(fā),，混合陣列架構(gòu)將一些數(shù)字波束成型技術(shù)與模擬波束成型技術(shù)結(jié)合起來。

ADAR1000 X-/Ku波段波束成型IC是一款4通道器件,，覆蓋頻段為8 GHz至16 GHz,，采用時分雙工(TDD)模式，其發(fā)射器和接收器集成在一個IC當(dāng)中,。在接收模式下,，輸入信號通過四個接收通道并組合在通用RF_IO引腳中。在發(fā)射模式下,，RF_IO輸入信號被分解并通過四個發(fā)射通道,。功能框圖如圖4所示。

簡單的4線式串行端口接口(SPI)可以控制所有片內(nèi)寄存器,。兩個地址引腳可對同一串行線纜上的最多四個器件進行SPI控制,。專用發(fā)射和接收引腳可同步同一陣列中的所有內(nèi)核芯片，且單引腳可控制發(fā)射和接收模式之間的快速切換,。這款4通道IC采用7 mm×7 mm QFN表貼封裝,，可輕松集成到平板陣列當(dāng)中,。高度集成，再加上小型封裝,，可以解決通道數(shù)量較多的相控陣架構(gòu)中一些尺寸,、重量和功率挑戰(zhàn)。此器件在發(fā)射模式下功耗僅為240 mW/通道,，在接收模式下功耗僅為160 mW/通道,。

發(fā)射和接收通道直接可用，在外部設(shè)計上可以與前端IC配合使用,。圖5顯示了器件的增益和相位圖,。具有全360°相位覆蓋，可以實現(xiàn)小于2.8°的相位步長和優(yōu)于30 dB的增益調(diào)整,。ADAR1000集成片上存儲器,，可存儲多達121個波束狀態(tài)，其中一個狀態(tài)包含整個IC的所有相位和增益設(shè)置,。發(fā)射器提供大約19 dB的增益和15 dBm的飽和功率,，其中接收增益約為14 dB。另一個關(guān)鍵指標(biāo)是增益設(shè)置內(nèi)的相位變化,，在20 dB范圍內(nèi)約為3°,。同樣，在整個360°相位覆蓋范圍內(nèi),，相位的增益變化約為0.25 dB,，緩解了校準(zhǔn)難題。

ADTR1107 CPLR_OUT耦合器輸出可以與4個ADAR1000 RF檢波器輸入（圖4中的DET1至DET4）中的一個回連,，以測量發(fā)射輸出功率,。這些基于二極管的RF檢波器的輸入范圍為?20 dBm至+10 dBm。ADTR1107定向耦合器的耦合系數(shù)從6 GHz時的28 dB到18 GHz時的18 dB,。

可以通過ADAR1000驅(qū)動的柵級電壓實現(xiàn)ADTR1107脈沖,，同時保持漏極恒定。相比通過漏極脈沖,，這種方法更優(yōu)化,，因為這會用到高功率MOSFET開關(guān)和柵級驅(qū)動器器件與柵級開關(guān)，后者采用低電流,。還應(yīng)注意,，在發(fā)射模式下ADAR1000提供足夠功率會令A(yù)DTR1107飽和，在天線短路時ADTR1107可以承受總反射功率,。

在發(fā)射和接收模式下,，ADTR1107和ADAR1000在8 GHz至16 GHz頻率范圍內(nèi)的組合性能如圖9所示。在發(fā)射模式下,，它們提供約40 dB增益和26 dBm飽和功率,，在接收模式下,，則提供約2.9 dB噪聲系數(shù)和25 dB增益。

圖10所示為4個ADAR1000芯片驅(qū)動16個ADTR1107芯片,。簡單的四線式SPI控制所有片內(nèi)寄存器,。兩個地址引腳可對同一串行線纜上的最多四個ADAR1000芯片進行SPI控制,。專用發(fā)射和接收負載引腳也可同步同一陣列中的所有內(nèi)核芯片,，且單引腳可控制發(fā)射和接收模式之間的快速切換。

收發(fā)器芯片組和其他配套產(chǎn)品

高度集成的射頻收發(fā)器芯片可以提升天線層面的集成,。ADRV9009就是這種芯片一個很好的例子,。它提供雙發(fā)射器和接收器、集成式頻率合成器和數(shù)字信號處理功能,。該器件采用先進的直接轉(zhuǎn)換接收器,，具有高動態(tài)范圍、寬帶寬,、錯誤校準(zhǔn)和數(shù)字濾波功能,。還集成了多種輔助功能，比如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC),，以及用于功率放大器的通用輸入/輸出以及RF前端控制,。高性能鎖相環(huán)可同時針對發(fā)射器和接收器信號路徑提供小數(shù)N分頻RF頻率合成。它提供極低功耗和全面的關(guān)斷模式,，以在不使用時進一步省電,。ADRV9009采用12 mm × 12 mm、196引腳芯片級球柵陣列封裝,。

ADI公司為相控陣天線設(shè)計提供從天線到位的整個信號鏈,，且針對此應(yīng)用優(yōu)化IC，以幫助客戶加快上市時間,。IC技術(shù)的進步促使天線技術(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)變,，推動了多個行業(yè)的變革。

作者簡介

Jeff Lane畢業(yè)于麻省理工大學(xué),，擁有電子工程碩士學(xué)位,，他于2001年加入ADI。他擁有微波天線設(shè)計,、系統(tǒng)工程,、銷售和市場營銷等方面的經(jīng)驗。他目前是ADI公司航空航天,、國防和RF產(chǎn)品部的產(chǎn)品營銷工程師,，主要負責(zé)RF和微波MMIC放大器相關(guān)的事務(wù)。