相控陣雷達技術中的射頻應用設計

介紹無線行業的快速發展推動了射頻電子器件的集成化和小型化。許多應用程序現在都從這些成就中獲益。將信號鏈的大部分集成到完整的集成電路（IC）中，特別是實現了相控陣天線。新系統隨著模擬波束成形或數字波束成形的實現而激增，提供從射頻到高速轉換器、收發器、PLL和電源的天線到比特解決方案的完整產品組合，以及先進的集成，創造了系統架構專業知識。本文將互聯網上以各種形式分散的一些常規詢問總結為更全面的討論。從相控陣演變的簡要歷史開始，討論體系結構趨勢和挑戰，深入了解我們對最新發展的看法，并提供文章和網絡廣播的鏈接，這些鏈接提供了有關各種主題的更多細節。從相控陣的發展開始。早期的相控陣工作大多是為雷達應用而開發的，因此考慮到雷達天線實現的演變，可以很好地了解現代數字波束形成天線是如何構思的。出于必要，在第二次世界大戰期間和之后，雷達的重大發展得到了加速。

圖1 相控陣的發展從一開始使用旋轉天線的雷達到最近的全元件數字相控陣，技術一直在不斷進步。脈沖壓縮是一種重要的雷達處理技術。脈沖壓縮是通過諸如線性頻率調制（LFM）和相位碼之類的波形選擇來實現的，其中在匹配濾波器的輸出處的脈沖比發送的脈沖短得多。脈沖壓縮的量與信號帶寬直接相關。到20世紀60年代，這一切都被記錄下來并得到了理解。有人說雷達誕生于脈沖壓縮。隨著數學的理解，擴展的實現開發仍在繼續，并最終形成了現代相控陣。第一種實現方式具有在管放大器中產生高功率RF的旋轉天線盤。隨后，第一批相控陣天線取代了轉盤天線，這些天線用于非常高性能的雷達。保留了管式高功率放大器（HPA），發射信號流為：管式HPA→ 波導分布→ 移相器→ 輻射元件。

波束形成是一個全模擬系統。在接收時，可以制作幾個波束圖案，但該過程復雜且昂貴，因此通常僅限于幾個波束。單脈沖雷達的天線系統可以通過這種方式實現。邁向固態相控陣的第一步是引入分布在每個元件的發射/接收（T/R）模塊，第一批實現仍然使用具有類似后端處理的模擬波束成形。T/R模塊由一個用于發射的固態HPA、一個用于接收的低噪聲放大器（LNA）以及一個循環器或開關組成，以控制來自天線的RF能量（發射或接收）的方向。

目前正在進行的轉變是向數字波束成形相控陣的遷移。由模擬波束形成子陣列組成的混合架構，然后是每個子陣列后面的接收器和ADC，允許數字波束形成在子陣列模式內形成許多波束。每個元件的數字相控陣包括每個元件后面的接收器和波形發生器。每個單元的數字波束成形相控陣是真正的軟件定義天線方向圖的推動者。

可以在許多不同的方向上同時形成許多波束，并且可以自適應地控制天線方向圖，包括零點。由于系統級的可編程性，每個單元的數字相控陣已經成為許多天線架構師的目標。你能進一步解釋模擬和數字波束形成之間的區別嗎？這一點最好通過圖2這樣的插圖來理解。在模擬波束成形中，通常在T/R模塊之后，每個元件后面的RF域中都有移相器和增益控制。

波束方向是通過在組合之前控制每個元件的RF相位來形成的?？梢詰梅儒F來幫助天線旁瓣電平。在數字波束成形中，除了它是全數字的之外，還進行了類似的過程。有完整的接收器，每個元件都有ADC，波束成形是在數字域中完成的，相移是在每個信道上數字應用的，加權和形成天線方向圖。

由于波束是以數字方式形成的，因此可以在相同的ADC數據上同時創建許多天線波束方向圖。這是通過復制數字波束成形時間延遲和求和結構來實現的。它是一種并行處理形式，可創建多個波束，這些波束可從同一ADC數據流中獨立編程。從理論上講，這可以擴展到大量的光束。在實踐中，可實現的極限通常由數字處理能力來設置。為了將處理與實際數據速率綁定，一些系統定義了波束帶寬乘積。該定義允許在波束數量和每個波束的帶寬之間進行權衡，同時保持對系統所需數據速率的約束。

圖2：模擬波束成形與數字波束成形模擬波束成形的一個優點是實現的簡單性。數據轉換器很少，因此數字開發工作非常容易管理。挑戰在于模擬波束成形結構必須針對每個天線波束重復。在波束成形之后也存在單點故障。然而，對于低成本、低波束計數的系統，模擬波束成形是一個很好的選擇，并且將是成本受限的天線系統中的主要候選者。數字波束成形的優點在于在多個方向上同時具有多個可編程天線波束的靈活性。

不幸的是，這些挑戰是巨大的，包括大量的數字數據、同步以及每個輻射元件背后所需的電子設備的物理尺寸限制。盡管存在挑戰，但當需要來自單個天線的多個同時波束時，它仍然是一種具有成本效益的架構。一種折衷方案是混合使用模擬和數字波束形成。在這種情況下，元件在模擬域中形成子陣列，然后波束可以在子陣列圖案中以數字方式形成。這可以被認為是一種混合架構，并且在需要數字波束形成時也非常流行，但由于各種挑戰或系統成本限制，全數字波束形成是不可行的。

你能描述一下你在射頻前端的一些工作嗎？首先，讓我們定義射頻前端。這通常包括T/R模塊以及任何模擬波束成形。我們正在開發所有這些領域的產品。HPA和LNA定期發布以支持市場需求。還有低損耗、高功率的開關，可實現發射和接收之間的快速前端切換。當適合客戶應用時，可以將其集成到T/R模塊中作為完整的解決方案。該行業正在做大量工作來改進HPA和LNA的GaN技術。

有幾個廣為人知的主要激勵因素，例如更高功率密度和更高擊穿電壓的能力。相控陣應用也有其他激勵因素。在較高的工作電壓下，配電中的電流較少，從而提高了系統的整體效率。較高的擊穿電壓為LNA帶來了較高的生存功率，并且在某些情況下，可以消除對前端限制器的需要，即使GaN LNA噪聲系數略高于GaAs LNA，前端限制器也可以導致總體較低的接收器噪聲系數。

對于模擬波束形成器，我們最近發布了ADAR1000。這是一個X波段和Ku波段，4:1模擬波束形成器。除了所有所需的模擬波束形成功能外，還包括通過門控制進行HPA/LNA脈沖的獨特功能。已經通過控制柵極而不是漏極來證明快速導通/截止。這種方法消除了通過漏極切換高電流的需要。

我們發布了關于門開關可能的電路技術的應用說明，以及ADAR1000的功能，以幫助簡化T/R模塊周圍的控制電路。對于接收器和波形發生器，目前正在實施的一些架構是什么？接收器和波形發生器架構大致可以分為三種變體：外差、直接轉換和直接采樣。根據應用程序的不同，每種體系結構的選擇都有優缺點。我們將所有這些視為根據目標而定，并根據人們如何使用這些部件來創建支持所有架構的IC。圖3展示了不同的體系結構。盡管只示出了接收器，但是拓撲結構也適用于波形發生器信號鏈。

超外差方法已經存在了100年，已經得到了很好的證明，并且可以通過適當的頻率規劃提供卓越的性能。不幸的是，這也是最復雜的。它通常需要最大的功率、相對于可用帶寬最大的物理占地面積，以及在大的分數帶寬下可能非常具有挑戰性的頻率規劃。它也是最不可編程的，除非增加硬件以在各種濾波器和LO路徑之間切換。

一個新的趨勢是現代高速轉換器和收發器提供了在更高IF頻率下采樣的能力。使用這些最新版本可以簡化頻率計劃，消除混合階段，并降低伴隨的敏捷LO復雜性。長期以來，人們一直在尋求直接采樣方法，但它面臨著以與直接RF采樣相稱的速度操作轉換器和實現大輸入帶寬的障礙。

如今，高速轉換器可用于S波段及更高波段的直接采樣，參考文獻中列出了幾種。對于最新的高速轉換器來說，在模擬輸入帶寬高于6GHz的情況下以GSPS速率采樣是新的。在新興的數據轉換器中，更高頻率的直接采樣將繼續是一種值得關注的趨勢。隨著下一代FinFET CMOS節點繼續提高晶體管工作速度并降低寄生電容，新的數據轉換器系列將成為可能，有可能對未來的RF系統設計產生重大影響。直接轉換架構提供了數據轉換器帶寬的最有效使用。

數據轉換器在第一奈奎斯特（Nyquist）中工作，其中性能最佳并且低通濾波更容易。這兩個數據轉換器一起工作，對I/Q信號進行采樣，從而增加了用戶帶寬，而沒有交織的挑戰。多年來困擾直接轉換架構的主要挑戰是保持I/Q平衡，以達到可接受的圖像抑制、LO泄漏和直流偏移水平。近年來，整個直接轉換信號鏈的高級集成，結合數字校準，克服了這些挑戰。

我們的收發器產品線基于直接轉換架構。在性能合適的情況下，這些解決方案將是可用的高度集成、經濟的解決方案。在數字波束形成陣列中分配波形發生器和接收器還有其他好處嗎？分布式射頻電子的系統工程目標之一是在信道組合時實現動態范圍的改進。當組合兩個RF信號時，如果RF信號在幅度和相位上匹配，并且如果每個信道中的噪聲不相關，則將存在10logN的組合增益，從而產生動態范圍的改善。

如果信道中的噪聲是相關的，那么當它們被組合時沒有改善。因此，系統工程的努力之一是跟蹤相關和不相關的噪聲貢獻者。相關噪聲可以來自信道之間共享的任何東西，包括時鐘、LOs、功率等。對于大型陣列來說，這種改進具有重要價值。例如，如果噪聲分量全部不相關，則100個信道可以提供20dB的動態范圍改善。

我們已經開發了自己的多通道射頻測試臺，以確保這些參數能夠為我們的客戶使用我們的組件和我們自己的內部設計工作所理解。你能詳細說明設計師在數字波束形成相控陣中遇到的物理尺寸挑戰嗎？一個基本的物理挑戰是作為波長函數的元件間距，其隨著工作頻率的增加而減小。許多系統將元件間距設置為波長的一半或更小，以避免天線方向圖中的光柵波瓣。在L波段和S波段，利用最新的收發器或直接采樣轉換器，在每個元件間隔內安裝電子設備是可行的。隨著頻率增加到X波段（10GHz），這是具有挑戰性的，但有了先進的集成，這是可能的。在Ka樂隊，這相當具有挑戰性。隨著頻率的增加，混合架構可以變得更加實用，4:1波束形成器，如ADAR1000，可以將接收器/激勵器數量減少4，并允許為RF電子設備分配額外的空間。為了應對這一挑戰，我們正在繼續整合信號鏈的完整部分。多通道集成收發器和轉換器為減少物理占地面積的射頻采樣奠定了基礎。此外，單片RFIC、SiP（封裝中的系統）和集成T/R模塊中的集成RF設計都在不斷進步。多通道高速轉換器或收發器與RF先進技術的結合實現了現代相控陣實現所需的集成。

編輯：黃飛