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集成化芯片在相控陣beam-forming中的應用

2019-12-23
來源:世健科技

現代通信領域中,beam-forming技術有著非常廣泛的應用。在5G通信、相控陣雷達、衛星通信等方面也越來越受到工程師們的重視。

波束成形(beamforming or spatial filtering)是傳感器陣列中用于定向信號傳輸或接收的信號處理技術。這是通過將天線陣列中的元件以特定角度的信號經歷相長干涉而其他經歷相消干涉來實現的。波束成形在發送端和接收端都可以使用,以實現空間選擇性。工程師利用波束成形技術已經有相當久的歷史,比如使用波束來補償信道衰減的衛星通訊。衛星和地面接收天線的距離非常遠,信道衰減非常大,于是衛星信號到達地面時能量已經非常小,甚至比熱噪聲還要低。因此,我們需要想方設法提高接收衛星信號能量。當衛星的信號向空間全方向輻射時,絕大多數能量并沒有被地面天線接收到,而是被浪費了。為避免這種浪費,我們在接收和發射衛星信號時都會使用波束成形。這樣,發射的電磁波信號都集中在一個方向上,只要接收天線能對準這個方向,就可以大大提高接收的衛星信號能量。

相控陣天線的beamforming技術(如圖1描述),我們可以線性或二維地對N個天線陣列進行波束賦形配置,并以電子的方式,智能地控制陣列中每個單獨天線的幅度和相位激勵,以產生指向所需方向的波束。在物理結構固定不變的情況下,相控陣天線能夠快速無慣性的進行波束成形和波束掃描。

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圖1

針對衛星通信領域的相控陣系統,技術型授權分銷商Excelpoint世健公司的工程師Rain Cai向我們介紹了一款世健代理的ADI公司的相控陣beam-forming集成化芯片,可以為廣大衛星通信客戶提供新一代的系統化解決方案(如圖2)。該系統方案包含天線前端的多通道幅相控制集成套片ADAR1000、上線變頻混頻器LTC5548/LTC5549、本振PLLVCO集成芯片ADF5356/ADF5610、低頻2T/2R 收發集成套片ADRV9009。相比傳統的超外差方式,節省數十顆芯片就能完成對整個收發系統的研發設計,大大縮小了整個通信系統的體積和功耗。

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圖2

下面,Rain重點介紹相控陣前端的有源天線幅相控制方案ADAR1000。ADAR1000是一款適用于相控陣的 4 通道 X 和 Ku 頻段波束形成芯片。該器件在接收和發射模式之間以半雙工狀態工作。在接收模式下,輸入信號通過四個接收通道后在公共 RF_IO 引腳上組合在一起。在發射模式下,RF_IO 輸入信號拆分后通過四個發射通道。在這兩種模式下,ADAR1000 在射頻 (RF) 路徑中都提供 ≥31 dB 的增益調整范圍和完整 360° 相位調整范圍,分辨率優于 6 位(分別低于 ≤0.5 dB 和 2.8°)。并且支持存儲最多126個波束的各通道增益相位信息,支持相控陣雷達和通信系統的設計人員利用電調掃描的方式來取代原來龐大的機械轉向天線平臺。ADAR1000每一路通道都集成有低噪放(或功率放大器)、移相器、可變增益放大器。4通道ADAR1000有源天線波束成形芯片可取代天線相位增益調節和數字控制所需的12個分立元件,顯著的簡化了監控、衛星通信所用的相控陣雷達系統尺寸、重量及功耗。尤其是使用ADAR1000在平面陣列中,使得裝配于不同平臺的平面陣雷達具有極強的競爭力。

ADAR1000原理框圖如下圖3所示。除核心的4T/4R幅度相控控制以外,ADAR1000集成套片還包含溫度檢測、功率檢測功能,并且為可能需要外掛的大功率功放管以及LNA提供bias供電電壓,這將進一步減少工程師在PCB設計時的電源控制難度以及PCB尺寸。

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圖3

最后,Rain介紹了一個具體案例:世健公司的某最終用戶希望減小30%相控陣天線總體重量,針對這一需求,世健向其推薦了ADAR1000集成芯片,成功解決了設計難題。使用4通道的ADAR1000替換掉原有的分立元器件方案,將系統尺寸和重量減小30%以上。使得整套衛星系統能夠更為便捷的搭載船舶、飛機等大型交通運輸工具。下圖(4)為該客戶實測ADAR1000的VSWR、phase error、Gain隨頻率變化曲線:

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圖4

從測試結果可以看出,盡管ADAR1000在7X7mm的封裝尺寸內對以前的12顆分立元件進行集成和替代,但性能并沒有隨著高集成度而降低??蛻魧φw性能和成本都非常滿意。并提出未來8通道、16通道的集成化芯片預期。

ADAR1000在相控陣天線前端的beam-forming設計中有著非常卓越的性能,使得這一類型的集成化套片在大型相控陣雷達以及衛星通信應用中成為主流方案。為此,可以預見到,在不久的未來,更多通道、更高頻率以及帶寬的多功能集成套片將會推向市場,多個單元的天線陣列尺寸、功耗將進一步減小。 

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