如何仿真相控阵天线单元（相控阵波束成形IC）
如何仿真相控阵天线单元（相控阵波束成形IC）控阵天线相比机械天线的另一个优势是它能同时辐射多个波束，因而可以跟踪多个目标或管理多个通道的用户数据。这是通过在基带频率下对多个数据流进行数字信号处理来实现的。类似地，我们可以从辐射波束变为有效零点以吸收干扰物的信号，使该物体看起来不可见。重新定位辐射方向图或改变为有效零点，这些变化几乎可以立即完成，因为我们可以使用基于IC的器件而非机械部件，以电气方式改变相位设置。相抛物面天线已被广泛用于发射(Tx)和接收(Rx)信号，其中方向性至关重要，并且这些系统在经过多年优化后能以相对低的成本良好运行。这些抛物面天线拥有一个用于旋转辐射方向的机械臂，它们确实存在一些缺点，包括转向慢、体积大、长期可靠性差，以及仅具有一个符合要求的辐射方向图。图1 相控阵单元基本理论框图由于没有机械运动部件，所以很容易理解相控阵中波束快速转向的属性。基于IC的半导体相位调整可以在几纳秒内完成，这样我们就可以改变辐射图
为了提高无线通信和雷达系统的性能，对天线架构的需求在不断增长。相比于传统的机械控制抛物面天线，在新型应用中需要功耗更小，剖面更低的天线。除了这些需求之外，还需要快速重新定位到新的威胁或用户，传输多个通道，并且有更长的使用期限。
基于阵列的相控天线设计正在席卷整个行业，使得这些挑战得以实现。先进的半导体技术正在解决相控阵天线过去的缺点，最终在尺寸、重量和功率方面有所降低。
本文将简要介绍现有的天线解决方案以及电控天线具有的优势。然后，将介绍半导体技术如何帮助实现改进电控天线的SWaP-C的目标，接下来是以ADI技术的实例来介绍。
引言无线电子系统依赖于天线发送和接收信号已经运行100多年了。随着对精度、效率和更高级指标的需求变得越来越重要，这些电子系统继续在改进和完善。
抛物面天线已被广泛用于发射(Tx)和接收(Rx)信号，其中方向性至关重要，并且这些系统在经过多年优化后能以相对低的成本良好运行。这些抛物面天线拥有一个用于旋转辐射方向的机械臂，它们确实存在一些缺点，包括转向慢、体积大、长期可靠性差，以及仅具有一个符合要求的辐射方向图。
图1 相控阵单元基本理论框图
由于没有机械运动部件，所以很容易理解相控阵中波束快速转向的属性。基于IC的半导体相位调整可以在几纳秒内完成，这样我们就可以改变辐射图的方向，针对新的威胁或用户快速做出响应。
类似地，我们可以从辐射波束变为有效零点以吸收干扰物的信号，使该物体看起来不可见。重新定位辐射方向图或改变为有效零点，这些变化几乎可以立即完成，因为我们可以使用基于IC的器件而非机械部件，以电气方式改变相位设置。相
控阵天线相比机械天线的另一个优势是它能同时辐射多个波束，因而可以跟踪多个目标或管理多个通道的用户数据。这是通过在基带频率下对多个数据流进行数字信号处理来实现的。
阵列设计实例下面阵列的实现方式使用以等间隔行列配置的贴片天线元件，采用4×4式设计，总共有16个阵元。图2所示为一个小型4×4阵列，其中，贴片天线为辐射器。在地面雷达系统中，这种天线阵列可以变得非常大，可能有超过100 000个阵元。
图2 4×4单元阵列的辐射方向图展示
在设计时要考虑阵列大小与每个辐射元件的功率之间的权衡关系，这些会影响波束的方向性和有效辐射功率，可以通过考察一些常见的参数来预测天线的性能。
天线设计人员会考察天线增益、有效各向辐射功率(EIRP)及Gt/Tn。有一些基础等式可用于描述以下等式中所示的这些参数。我们可以看到，天线增益和EIRP与阵列中元件的数量成正比。
其中，
N：单元数量
Ge：单元天线增益
Gt：天线阵增益
Pt：总的发射功率
Pe：单元天线功率
Tn：噪声温度
相控阵天线设计的另一个关键方面是天线阵元的间隔。一旦我们通过设定阵元数量确定了系统目标，物理阵列直径很大程度上取决于每个单元构件的大小限制，其要小于大约二分之一波长，因为这样可以防止栅瓣。栅瓣相当于在无用方向上辐射的能量。
这对用于阵列的电子器件提出了严格的要求，必须做到体积小、功率低、重量轻。半波长间隔在较高频率下对设计特别具有挑战性，因为其中每个单元构件的长度会变小。这推高了更高频率IC的集成度，促使封装解决方案变得更加先进，并且使困难不断增加的散热管理技术得到了简化。
在构建整个天线时，阵列设计面临许多挑战，包括控制线的走线、电源管理、脉冲电路、热管理、环境考虑等。业界有一股庞大的推动力量，促使走向体积小、重量轻的低剖面阵列。
传统的电路板结构使用小型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，其中，每个IC都有足够高的集成度，可以简单地安装在天线板的背面，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。
在上图中，左图展示了PCB顶部的金色贴片天线元件，右图显示了PCB底部的天线模拟前端。这只是天线的一个子集，其中，天线一面发生频率转换；同时分配网络负责将单个RF输入输送到整个阵列。
集成度更高的IC显著减少了天线设计中的挑战，并且随着天线变得越来越小，越来越多的电子元件被集成到越来越小的空间中，天线设计需要新的半导体技术来帮助提高解决方案的可行性。
数字波束形成与模拟波束形成过去的大多数相控阵天线都使用了模拟波束形成技术，其中的相位调整是在RF或IF频率下进行的，并且整个天线都采用一组数据转换器。人们越来越关注数字波束形成，其中，每个天线元件都有一组数据转换器，并且相位调整是在FPGA或某些数据转换器中以数字方式完成的。
数字波束形成有许多好处，具有多波束的能力，可以即刻改变波束的数量。这种卓越的灵活性在许多应用中都具有极强的吸引力，并且对其普及化也起着推动作用。
数据转换器的不断改进降低了功耗并且扩展到了更高的频率，L波段和S波段的RF采样使这项技术可以用于雷达系统。在考虑模拟与数字波束形成两个选项时，需要考虑多种因素，但分析通常取决于所需波束数量、功耗和成本目标。
数字波束形成方法因每个元件搭配一个数据转换器，所以其功耗通常较高，但是在形成多个波束方面，却极其灵活、便利。数据转换器还需要更高的动态范围，因为拒绝阻塞的波束形成只能在数字化之后完成。
模拟波束形成也可以支持多个波束，但每个波束需要额外的相位调整通道。例如，为了形成100波束的系统，需要将1波束系统的RF移相器的数量乘以100，因此数据转换器与相位调整IC的成本考虑因素可能根据波束的数量而改变。
类似地，对于可以利用无源移相器的模拟波束形成方法，其功耗通常较低，但随着波束数量的增加，如果需要额外的增益级来驱动分配网络，则功耗也将增加。
常见的折衷方案是混合式波束形成方法，其中有模拟波束形成子阵列，随后是子阵列信号的一些数字组合。这是业内日益热门的一个领域，并将在未来继续发展壮大。
半导体技术传统脉冲雷达系统发射可以从物体上反射的信号，雷达等待返回脉冲以映射天线的视场。在过去几年中，这种天线前端解决方案会采用分立式元件，此类元件很可能采用砷化镓技术。用作这些相控阵天线构建模块的IC元件如图4所示。
它们包括一个用于调整每个天线元件相位（最终控制天线）的移相器、一个可以使波束逐渐变细的衰减器、一个用于传输信号的功率放大器和一个用于接收信号的低噪声放大器，另有一个用于在发射与接收之间切换的开关。
在过去的实施方案中，这些IC中的每一个都可能放在5mm×5mm的封装中，更先进的解决方案则可能用集成式单片单通道GaAs IC来实现该功能。
图4 相控阵天线的典型RF前端示例
相控阵天线近年来的普及离不开半导体技术的推动。SiGe BiCMOS、SOI（绝缘体上硅）和体CMOS中的高级节点将用于控制阵列中转向的组合数字电路以及用于实现相位和幅度调整的RF信号路径集成到单个IC当中。
如今，已经可以实现多通道波束形成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，以适应相控阵天线单元构件的需求，传统上这些天线基本上由基于行波管(TWT)的功率放大器或基于较低功率GaAs的功率放大器伺服。
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驱动的抛物面天线转向基于相控阵的天线技术。
我们目前能使用单片GaN IC，这类IC能提供超过100瓦的功率，PAE超过50％。将这种PAE水平与雷达应用的低占空比相结合，可以确定天线阵列的尺寸、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。
将X波段的6W至8W GaAs功率放大器与基于GaN的解决方案进行比较可将占位面积减少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。
ADI公司的模拟相控阵ICADI公司开发了集成模拟波束形成IC，可以支持雷达、卫星通信、5G通信等一系列应用。ADAR1000 X/Ku波段波束赋形IC是一款4通道器件，覆盖频段为8 GHz至16 GHz，工作于时分双工(TDD)模式，其发射器和接收器集成在一个IC当中。
该器件是X波段雷达应用以及Ku波段卫星通信的理想选择，在这类应用中，IC可以配置为仅以收发器模式或仅接收器模式运行。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，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。收发器和接收器通道直接可用，在外部设计上可以与ADI公司提供的前端模块(FEM)配合使用。
图5 ADAR1000 Tx增益/回波损耗和相位/增益控制
ADAR1000包含片上存储器，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控制的相位变化，在20 dB范围内约为3°。同样，相位控制的增益变化在整个360°相位覆盖范围内约为0.25 dB，从而缓解了校准挑战。
该波束成形IC专为模拟相控阵应用或混合阵列架构而开发，将一些数字波束成形与模拟波束成形相结合。ADI公司提供从天线到二进制的完整解决方案，包括数据转换器，频率转换和模拟波束成形IC，以及前端模块。这种芯片组使ADI公司能够功能性的组合且适当优化IC，从而更轻松地为客户实现天线设计。
