集成化芯片在相控陣beam-forming中的應(yīng)用

現(xiàn)代通信領(lǐng)域中，beam-forming技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用。在5G通信、相控陣雷達(dá)、衛(wèi)星通信等方面也越來(lái)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(hào)傳輸或接收的信號(hào)處理技術(shù)。這是通過(guò)將天線陣列中的元件以特定角度的信號(hào)經(jīng)歷相長(zhǎng)干涉而其他經(jīng)歷相消干涉來(lái)實(shí)現(xiàn)的。波束成形在發(fā)送端和接收端都可以使用，以實(shí)現(xiàn)空間選擇性。工程師利用波束成形技術(shù)已經(jīng)有相當(dāng)久的歷史，比如使用波束來(lái)補(bǔ)償信道衰減的衛(wèi)星通訊。衛(wèi)星和地面接收天線的距離非常遠(yuǎn)，信道衰減非常大，于是衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面時(shí)能量已經(jīng)非常小，甚至比熱噪聲還要低。因此，我們需要想方設(shè)法提高接收衛(wèi)星信號(hào)能量。當(dāng)衛(wèi)星的信號(hào)向空間全方向輻射時(shí)，絕大多數(shù)能量并沒(méi)有被地面天線接收到，而是被浪費(fèi)了。為避免這種浪費(fèi)，我們?cè)诮邮蘸桶l(fā)射衛(wèi)星信號(hào)時(shí)都會(huì)使用波束成形。這樣，發(fā)射的電磁波信號(hào)都集中在一個(gè)方向上，只要接收天線能對(duì)準(zhǔn)這個(gè)方向，就可以大大提高接收的衛(wèi)星信號(hào)能量。

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

圖1

針對(duì)衛(wèi)星通信領(lǐng)域的相控陣系統(tǒng)，技術(shù)型授權(quán)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(wèi)星通信客戶提供新一代的系統(tǒng)化解決方案（如圖2）。該系統(tǒng)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(fā)集成套片ADRV9009。相比傳統(tǒng)的超外差方式，節(jié)省數(shù)十顆芯片就能完成對(duì)整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)，大大縮小了整個(gè)通信系統(tǒng)的體積和功耗。

圖2

下面，Rain重點(diǎn)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(fā)射模式之間以半雙工狀態(tài)工作。在接收模式下，輸入信號(hào)通過(guò)四個(gè)接收通道后在公共 RF_IO 引腳上組合在一起。在發(fā)射模式下，RF_IO 輸入信號(hào)拆分后通過(guò)四個(gè)發(fā)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(diào)整范圍和完整 360° 相位調(diào)整范圍，分辨率優(yōu)于 6 位（分別低于 ≤0.5 dB 和 2.8°）。并且支持存儲(chǔ)最多126個(gè)波束的各通道增益相位信息，支持相控陣?yán)走_(dá)和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員利用電調(diào)掃描的方式來(lái)取代原來(lái)龐大的機(jī)械轉(zhuǎn)向天線平臺(tái)。ADAR1000每一路通道都集成有低噪放（或功率放大器）、移相器、可變?cè)鲆娣糯笃鳌?通道ADAR1000有源天線波束成形芯片可取代天線相位增益調(diào)節(jié)和數(shù)字控制所需的12個(gè)分立元件，顯著的簡(jiǎn)化了監(jiān)控、衛(wèi)星通信所用的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)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(tái)的平面陣?yán)走_(dá)具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)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(cè)、功率檢測(cè)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(jìn)一步減少工程師在PCB設(shè)計(jì)時(shí)的電源控制難度以及PCB尺寸。

圖3

最后，Rain介紹了一個(gè)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(duì)這一需求，世健向其推薦了ADAR1000集成芯片，成功解決了設(shè)計(jì)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(tǒng)尺寸和重量減小30%以上。使得整套衛(wèi)星系統(tǒng)能夠更為便捷的搭載船舶、飛機(jī)等大型交通運(yùn)輸工具。下圖4為該客戶實(shí)測(cè)ADAR1000的VSWR、phase error、Gain隨頻率變化曲線：

圖4

從測(cè)試結(jié)果可以看出，盡管ADAR1000在7X7mm的封裝尺寸內(nèi)對(duì)以前的12顆分立元件進(jìn)行集成和替代，但性能并沒(méi)有隨著高集成度而降低?？蛻魧?duì)整體性能和成本都非常滿意。并提出未來(lái)8通道、16通道的集成化芯片預(yù)期。

ADAR1000在相控陣天線前端的beam-forming設(shè)計(jì)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?yán)走_(dá)以及衛(wèi)星通信應(yīng)用中成為主流方案。為此，可以預(yù)見(jiàn)到，在不久的未來(lái)，更多通道、更高頻率以及帶寬的多功能集成套片將會(huì)推向市場(chǎng)，多個(gè)單元的天線陣列尺寸、功耗將進(jìn)一步減小。