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半导体技术的进步推动了相控阵天线
2021-11-04
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半导体技术的进步推动了相控阵天线在整个行业的普及。早在几年前,军事应用中已经开始出现从机械转向天线到有源电子扫描天线(AESA)的转变,但直到最近,才在卫星通信和5G通信中取得快速发展。小型AESA具有多项优势,包括能够快速转向、生成多种辐射模式、具备更高的可靠性;但是,在IC技术取得重大进展之前,这些天线都无法广泛使用。平面相控阵需要采用高度集成、低功耗、高效率的设备,以便用户将这些组件安装在天线阵列之后,同时将发热保持在可接受的水平。

相控阵技术

在行业向体积和重量更小的小型阵列转变期间,IC起到了重大的推动作用。传统的电路板结构基本使用小型PCB板,其上的电子元件垂直馈入天线PCB的背面。在过去的20年中,这种方法不断改进,以持续减小电路板的尺寸,从而减小天线的深度。下一代设计从这种板结构转向平板式方法,平板设计大大减小了天线的深度,使它们能更容易地装入便携应用或机载应用当中。要实现更小的尺寸,需要每个IC足够程度的集成,以便将它们装入天线背面。

半导体技术和封装

相控阵天线技术近年来的普及离不开半导体技术发展的推动。SiGe BiCMOS、绝缘体上硅(SOI)和体CMOS中的高级节点将数字和RF电路合并到一起。这些IC可以执行阵列中的数字任务,以及控制RF信号路径,以实现所需的相位和幅度调整。如今,我们已经可以实现多通道波束成型IC,此类IC可在4通道配置中调整增益和相位,最多可支持32个通道,可用于毫米波设计。在一些低功耗示例中,基于硅的IC有可能为上述所有功能提供单芯片解决方案。在高功率应用中,基于氮化镓的功率放大器显著提高了功率密度,可以安装到相控阵天线的单元构件中。这些放大器传统上一般使用基于行波管(TWT)的技术或基于相对低功耗的GaAs的IC。

在机载应用中,我们看到了平板架构日益盛行的趋势,因为其同时具有GaN技术的功率附加效率(PAE)优势。GaN还使大型地基雷达能够从由TWT驱动的碟形天线转向由固态GaN IC驱动、基于相控阵的天线技术。我们目前能使用单芯片GaN IC,这类IC能提供超过100 W的功率,PAE超过50%。将这种效率水平与雷达应用的低占空比相结合,可以实现表贴解决方案,以散除外壳基座中产生的热量。这些表贴式功率放大器大大减小了天线阵列的尺寸、重量和成本。在GaN的纯功率能力以外,与现有GaAs IC解决方案相比的额外好处是尺寸减小了。举例来说,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积可减少50%或以上。在将这些电子器件装配到相控阵天线的单元构件中时,这种占位面积的减小有着显著的意义。

封装技术的发展也大大降低了平面天线架构的成本。高可靠性设计可能使用镀金气密外壳,芯片和线缆在其内部互连。这些外壳在极端环境下更坚固,但体积大,且成本高昂。多芯片模块(MCM)将多个MMIC器件和无源器件集成到成本相对较低的表贴封装中。MCM仍然允许混合使用半导体技术,以便最大化每个器件的性能,同时大幅节省空间。例如,前端IC中可能包含PA、LNA和T/R开关。封装基座中的热通孔或固体铜废料被用于散热。为了节省成本,许多商业、军事和航空航天应用都开始使用成本更低的表贴封装选项。

相控阵波束成型IC

集成式模拟波束成型IC一般被称为核心芯片,旨在为包括雷达、卫星通信和5G通信在内的广泛应用提供支持。这些芯片的主要功能是准确设置每个通道的相对增益和相位,以在天线主波束所需的方向增加信号。该波束成型IC专为模拟相控阵应用或混合阵列架构而开发,混合阵列架构将一些数字波束成型技术与模拟波束成型技术结合起来。

ADAR1000 X-/Ku波段波束成型IC是一款4通道器件,覆盖频段为8 GHz至16 GHz,采用时分双工(TDD)模式,其发射器和接收器集成在一个IC当中。在接收模式下,输入信号通过四个接收通道并组合在通用RF_IO引脚中。在发射模式下,RF_IO输入信号被分解并通过四个发射通道。

简单的4线式串行端口接口(SPI)可以控制所有片内寄存器。两个地址引脚可对同一串行线缆上的最多四个器件进行SPI控制。专用发射和接收引脚可同步同一阵列中的所有内核芯片,且单引脚可控制发射和接收模式之间的快速切换。这款4通道IC采用7 mm×7 mm QFN表贴封装,可轻松集成到平板阵列当中。高度集成,再加上小型封装,可以解决通道数量较多的相控阵架构中一些尺寸、重量和功率挑战。此器件在发射模式下功耗仅为240 mW/通道,在接收模式下功耗仅为160 mW/通道。

发射和接收通道直接可用,在外部设计上可以与前端IC配合使用。具有全360°相位覆盖,可以实现小于2.8°的相位步长和优于30 dB的增益调整。ADAR1000集成片上存储器,可存储多达121个波束状态,其中一个状态包含整个IC的所有相位和增益设置。发射器提供大约19 dB的增益和15 dBm的饱和功率,其中接收增益约为14 dB。另一个关键指标是增益设置内的相位变化,在20 dB范围内约为3°。同样,在整个360°相位覆盖范围内,相位的增益变化约为0.25 dB,缓解了校准难题。

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