摘要

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了相控陣天線在整個(gè)行業(yè)的普及,。早在幾年前,，軍事應(yīng)用中已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)從機(jī)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(xiàng)優(yōu)勢(shì)，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(jìn)展之前,，這些天線都無(wú)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(shí)將發(fā)熱保持在可接受的水平,。本文將簡(jiǎn)要描述相控陣芯片組的發(fā)展如何推動(dòng)平面相控陣天線的實(shí)現(xiàn)，并采用示例輔助解釋和說(shuō)明,。

簡(jiǎn)介

在過(guò)去幾年里,，我們?cè)诜浅Ｖ匾暦较蛐缘膱?chǎng)合廣泛使用拋物線碟形天線來(lái)發(fā)射和接收信號(hào)。其中許多系統(tǒng)表現(xiàn)出色,，在經(jīng)過(guò)多年優(yōu)化之后保持了相對(duì)較低的成本,。但這些機(jī)械轉(zhuǎn)向碟形天線存在一些缺點(diǎn)。它們體積龐大，操作緩慢,，長(zhǎng)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(hào)轉(zhuǎn)向機(jī)制,，具有諸多優(yōu)點(diǎn),，例如高度低，體積小,、更好的長(zhǎng)期可靠性,、快速轉(zhuǎn)向、多波束等,。相控陣天線設(shè)計(jì)的一個(gè)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(gè)波長(zhǎng)的元件間隔，因此在更高頻率下需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì),，由此推動(dòng)IC在更高頻率下,，實(shí)現(xiàn)更高程度的集成，越加先進(jìn)的封裝解決方案,。

人們對(duì)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(wú)法讓相控陣天線成為現(xiàn)實(shí),。近期開(kāi)發(fā)的IC芯片組成功解決了這一問(wèn)題。半導(dǎo)體技術(shù)正朝著先進(jìn)的硅IC方向發(fā)展,，這讓我們可以將數(shù)字控制,、存儲(chǔ)器和RF晶體管組合到同一個(gè)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(dòng)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(guò)去的20年中，這種方法不斷改進(jìn),，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(jì)從這種板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向平板式方法,，平板設(shè)計(jì)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(jī)載應(yīng)用當(dāng)中。要實(shí)現(xiàn)更小的尺寸，需要每個(gè)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(jì)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(lái)說(shuō),，在高達(dá)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(dá)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(gè)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(gè)天線元件的相位以引導(dǎo)天線主波束,，并且使用開(kāi)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(lái)發(fā)射信號(hào),，使用低噪聲放大器來(lái)接收信號(hào)，最后,，使用另一個(gè)開(kāi)關(guān)在發(fā)射器和接收器之間進(jìn)行切換,。在過(guò)去的配置中，每個(gè)IC都作為獨(dú)立的封裝器件提供,。更先進(jìn)的解決方案使用集成單芯片單通道砷化鎵(GaAs) IC來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能,。對(duì)于大部分陣列，在波束成型器之前都配有無(wú)源RF組合器網(wǎng)絡(luò),、接收器/激勵(lì)器和信號(hào)處理器,，這一點(diǎn)圖中未顯示。

相控陣天線技術(shù)近年來(lái)的普及離不開(kāi)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的推動(dòng),。SiGe BiCMOS,、絕緣體上硅(SOI)和體CMOS中的高級(jí)節(jié)點(diǎn)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(hào)路徑,，以實(shí)現(xiàn)所需的相位和幅度調(diào)整。如今,，我們已經(jīng)可以實(shí)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(gè)通道，可用于毫米波設(shè)計(jì),。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(duì)低功耗的GaAs的IC,。

在機(jī)載應(yīng)用中,，我們看到了平板架構(gòu)日益盛行的趨勢(shì)，因?yàn)槠渫瑫r(shí)具有GaN技術(shù)的功率附加效率(PAE)優(yōu)勢(shì),。GaN還使大型地基雷達(dá)能夠從由TWT驅(qū)動(dòng)的碟形天線轉(zhuǎn)向由固態(tài)GaN IC驅(qū)動(dòng),、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(guò)100 W的功率,，PAE超過(guò)50％。將這種效率水平與雷達(dá)應(yīng)用的低占空比相結(jié)合,，可以實(shí)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(lái)說(shuō),，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(shí),，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(jì)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(jiān)固,，但體積大，且成本高昂,。多芯片模塊(MCM)將多個(gè)MMIC器件和無(wú)源器件集成到成本相對(duì)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(gè)器件的性能,，同時(shí)大幅節(jié)省空間,。例如,，前端IC中可能包含PA、LNA和T/R開(kāi)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(kāi)始使用成本更低的表貼封裝選項(xiàng),。

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(dá),、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(gè)通道的相對(duì)增益和相位，以在天線主波束所需的方向增加信號(hào),。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(kāi)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(lái)。

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(shí)分雙工(TDD)模式，其發(fā)射器和接收器集成在一個(gè)IC當(dāng)中,。在接收模式下,，輸入信號(hào)通過(guò)四個(gè)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(hào)被分解并通過(guò)四個(gè)發(fā)射通道,。功能框圖如圖4所示。

簡(jiǎn)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(gè)地址引腳可對(duì)同一串行線纜上的最多四個(gè)器件進(jìn)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(jì)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(shí)現(xiàn)小于2.8°的相位步長(zhǎng)和優(yōu)于30 dB的增益調(diào)整,。ADAR1000集成片上存儲(chǔ)器,，可存儲(chǔ)多達(dá)121個(gè)波束狀態(tài)，其中一個(gè)狀態(tài)包含整個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)ADAR1000 RF檢波器輸入（圖4中的DET1至DET4）中的一個(gè)回連,，以測(cè)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(shí)的28 dB到18 GHz時(shí)的18 dB,。

可以通過(guò)ADAR1000驅(qū)動(dòng)的柵級(jí)電壓實(shí)現(xiàn)ADTR1107脈沖,，同時(shí)保持漏極恒定。相比通過(guò)漏極脈沖,，這種方法更優(yōu)化,，因?yàn)檫@會(huì)用到高功率MOSFET開(kāi)關(guān)和柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器器件與柵級(jí)開(kāi)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(huì)令A(yù)DTR1107飽和，在天線短路時(shí)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(gè)ADAR1000芯片驅(qū)動(dòng)16個(gè)ADTR1107芯片,。簡(jiǎn)單的四線式SPI控制所有片內(nèi)寄存器。兩個(gè)地址引腳可對(duì)同一串行線纜上的最多四個(gè)ADAR1000芯片進(jìn)行SPI控制,。專用發(fā)射和接收負(fù)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(gè)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(hào)處理功能,。該器件采用先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)換接收器,，具有高動(dòng)態(tài)范圍、寬帶寬,、錯(cuò)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(shí)針對(duì)發(fā)射器和接收器信號(hào)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(shí)進(jìn)一步省電,。ADRV9009采用12 mm × 12 mm、196引腳芯片級(jí)球柵陣列封裝,。

ADI公司為相控陣天線設(shè)計(jì)提供從天線到位的整個(gè)信號(hào)鏈,，且針對(duì)此應(yīng)用優(yōu)化IC，以幫助客戶加快上市時(shí)間,。IC技術(shù)的進(jìn)步促使天線技術(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)變,，推動(dòng)了多個(gè)行業(yè)的變革。

作者簡(jiǎn)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(jì),、系統(tǒng)工程,、銷售和市場(chǎng)營(yíng)銷等方面的經(jīng)驗(yàn)。他目前是ADI公司航空航天,、國(guó)防和RF產(chǎn)品部的產(chǎn)品營(yíng)銷工程師,，主要負(fù)責(zé)RF和微波MMIC放大器相關(guān)的事務(wù)。