IC集成支持平板相控阵天线设计

半导体技术的进步使相控阵天线在整个行业中的普及成为可能。这种从机械转向天线到有源电子扫描天线（AESA）的转变始于多年前的军事应用，但最近在卫星通信移动和5G通信方面迅速发展。薄型AESA具有快速转向能力、产生多种辐射图的能力和更高的可靠性等优点;然而，这些天线在广泛使用之前需要IC技术的重大进步。平面相控阵要求设备具有高集成度、低功耗和高效率，以便用户可以将这些组件安装在天线阵列后面，同时将产生的热量保持在可接受的水平。本文将简要介绍相控阵芯片组的进步如何使平面相控阵天线成为可能，然后举例说明。

介绍

在过去的几年中，抛物面碟形天线已被广泛用于发送和接收方向性很重要的信号。其中许多系统运行良好，经过多年的优化，成本相对较低。这些机械转向碟形天线确实有一些缺点。它们物理尺寸大，转向速度慢，长期可靠性较差，并且它们仅提供一种所需的辐射图或数据流。

相控阵天线采用电控，具有许多优点，例如外形更小、体积更小、长期可靠性更高、转向速度更快和多波束。相控阵天线设计的一个关键方面是天线元件的间距。大多数阵列所需的大约半波长元件间距在更高频率下创造了特别具有挑战性的设计。这推动了更高频率的IC越来越集成，封装解决方案变得更加先进。

人们对将相控阵天线技术用于各种应用有着浓厚的兴趣。然而，工程师一直受到可用IC的限制，无法使其可行。由于IC芯片组的最新发展，情况已不再如此。半导体技术正朝着先进的硅IC发展，我们可以将数字控制、存储器和RF晶体管组合到同一个IC上。此外，氮化镓（GaN）显著提高了功率放大器的功率密度，从而提供了更小的尺寸。

相控阵技术

业界正在大力推动低调阵列，这些阵列消耗的体积和重量更少。传统的木板架构基本上使用小型PCB木板，其上的电子设备垂直馈入天线PCB的背面。在过去的20年中，这种方法得到了改进，以不断减小木板的尺寸，从而减少天线的深度。下一代设计从这种木板架构转向平板方法。平板设计显著减小了天线的深度，使其更容易安装到便携式或机载应用中。要实现更小的尺寸，需要在每个IC中集成足够的尺寸，以将它们安装在天线的背面。

在平面阵列设计中，天线背面的IC可用空间受到天线元件间距的限制。例如，在高达 60° 扫描角度下，防止光栅瓣的最大天线元件间距为 0.54 λ。图1显示了最大元件间距（以英寸为单位）与频率的关系。随着频率的提高，元件之间的间距变得非常小，天线后面的组件几乎没有空间。

图1.天线元件间距可防止光栅波瓣在 60° 离轴时出现。

在图2中，左图显示了PCB顶部的金色贴片天线元件，右图显示了PCB底部天线的模拟前端。在这些设计中，附加层上的变频级和配电网络也很典型。很容易看出，集成度更高的IC显著减少了以所需间距布置天线设计的挑战。随着天线变得越来越小，更多的电子设备封装在更小的尺寸中，它需要新的半导体和封装技术来帮助使解决方案可行。

图2.显示 PCB 顶部的天线补丁以及天线 PCB 背面的 IC 的平板阵列。

半导体技术与封装

用作相控阵天线构建模块的微波和毫米波（mmW）IC元件如图3所示。在波束成形部分，衰减器调整每个天线元件的功率电平，从而减少天线方向图的旁瓣。移相器调整每个天线元件的相位以控制天线主波束，并使用开关在发射器和接收器路径之间切换。在前端IC部分，功率放大器用于发射信号，低噪声放大器用于接收信号，最后，另一个开关用于在发射器和接收器之间切换。在过去的实现中，这些IC中的每一个都作为单独的封装器件提供。更先进的解决方案可以采用集成的单片单通道砷化镓（GaAs）IC来实现此功能。未显示，但在波束成型器之前的大多数阵列中都包含无源RF合路器网络，接收器/激励器和信号处理器。

图3.相控阵天线的典型射频前端。

最近相控阵天线技术的普及得益于半导体技术的进步。SiGe BiCMOS、绝缘体上硅（SOI）和体CMOS中的高级节点结合了数字和RF电路。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，可以实现多通道波束成形IC，在4通道配置中执行增益和相位调整，以及针对mmW设计的多达32个通道。在一些低功耗示例中，硅基IC可以作为上述所有功能的单片解决方案。在高功率应用中，基于氮化镓的功率放大器显著提高了相控阵天线单元的功率密度。这些放大器传统上使用基于行波管（TWT）的技术或相对低功耗的基于GaAs的IC。

在机载应用中，我们看到平板架构的趋势是具有GaN技术的功率附加效率（PAE）优势。氮化镓还使大型地面雷达从由TWT驱动的碟形天线转变为由固态氮化镓IC驱动的基于相控阵的天线技术。我们现在能够拥有单片GaN IC，能够以超过50%的PAE提供超过100 W的功率。将这种效率水平与雷达应用的低占空比相结合，可以实现表面贴装解决方案，我们可以散发通过封装底座产生的热量。这些表面贴装PA大大降低了天线阵列的尺寸、重量和成本。除了GaN的纯功率能力之外，与现有的GaAs IC解决方案相比，其尺寸减小。例如，与基于GaAs的放大器相比，X波段的6 W至8 W氮化镓功率放大器可将占位面积减少50%或更多。当试图将这些电子设备安装到相控阵天线的单元单元中时，这种尺寸的减少意义重大。

封装技术的进步也使平面天线架构的成本低得多。高可靠性设计可能使用镀金、密封外壳，内部有芯片和电线互连。这些外壳在极端环境中可能更坚固，但体积大且成本高昂。多芯片模块 （MCM） 将多个 MMIC 器件以及无源器件组合成成本相对较低的表面贴装封装。MCM仍然允许混合半导体技术，以便可以最大限度地提高每个器件的性能，同时节省大量空间。例如，在前端IC的情况下，它可能包含PA、LNA和T/R开关。封装底部的热通孔或实心铜块用于散热。为了节省成本，商业、军事和空间应用现在在许多应用中使用成本低得多的表面贴装封装替代方案。

相控阵波束成形器 IC

集成模拟波束成形IC，通常称为核心芯片，旨在支持一系列应用，包括雷达、卫星通信和5G电信。这些芯片的主要功能是精确设置每个通道的相对增益和相位，以便信号在天线主波束的所需方向上相干地相干添加。它们正在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。

ADAR1000 X/Ku波段波束成形IC是一款4通道器件，频率为8 GHz至16 GHz，工作在时分双工（TDD）模式，发射器和接收器集成在一个IC中。在接收模式下，输入信号通过四个接收通道，并组合在一个公共RF_IO引脚中。在发射模式下，RF_IO输入信号被分割并通过四个发射通道。功能图如图 4 所示。

图4.ADAR1000功能框图

一个简单的4线串行端口接口（SPI）控制片内寄存器。两个地址引脚允许SPI控制同一串行线路上多达四个器件。专用的发送和接收引脚提供同一阵列中所有内核芯片的同步。单个引脚控制发射和接收模式之间的快速切换。4 通道 IC 采用 7 mm × 7 mm QFN 表面贴装封装，可轻松集成到平板阵列中。高集成度加上小封装解决了高通道数相控阵架构中的一些尺寸、重量和功耗挑战。该器件在发射模式下每通道的功耗仅为240 mW，在接收模式下每通道功耗仅为160 mW。

发射和接收通道直接从外部连接，设计用于与前端IC配接。图5显示了该器件的增益和相位图。可实现完整的 360° 相位覆盖，相位步长小于 2.8°，增益调整超过 30 dB。ADAR1000内置片内存储器，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。发射器提供约19 dB增益和15 dBm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，增益随相位的变化约为0.25 dB，这减轻了校准挑战。

图5.ADAR1000发射增益/回波损耗和相位/增益控制，其中频率= 11.5 GHz。

ADAR1000波束成形芯片的补充是前端IC ADTR1107。ADTR1107是一款紧凑的6 GHz至18 GHz前端IC，集成功率放大器、低噪声放大器（LNA）和反射式单刀双掷（SPDT）开关。功能框图如图6所示。

图6.ADTR1107功能框图

该前端IC提供25 dBm的饱和输出功率（P坐）和发射状态下的22 dB小信号增益，以及接收状态下的18 dB小信号增益和2.5 dB噪声系数（包括T/R开关）。该器件具有用于功率检测的定向耦合器。输入/输出 （I/O） 在内部匹配至 50 Ω。ADTR1107采用5 mm×5 mm、24引脚焊盘栅格阵列（LGA）封装。ADTR1107的发射和接收增益及回波损耗如图7所示。

图7.ADTR1107发送增益/回波损耗和接收增益/回波损耗。

ADTR1107设计用于与ADAR1000轻松集成。接口原理图如图8所示。四个ADTR1107 IC由单个ADAR1000内核芯片驱动。为简单起见，仅显示了四个ADTR1107 IC中的一个的连接。

图8.将 ADTR1107 叶端 IC 与 ADAR1000 X 波段和 Ku 波段波束成形器接口。

ADAR1000提供所有必需的栅极偏置电压和控制信号，从而实现与前端IC的无缝接口。虽然ADTR1107 LNA栅极电压是自偏置的，但也可以通过ADAR1000控制电压。ADTR1107功率放大器的栅极电压也由ADAR1000提供。功率放大器栅极偏置需要四个独立的负栅极电压，因为一个ADAR1000驱动四个ADTR1107。每个电压由一个8位数模转换器（DAC）设置。该电压可通过ADAR1000 TR输入或串行外设接口写入来置位。置位ADAR1000 TR引脚可在接收和发送模式之间切换ADAR1000的极性。TR_SW_POS引脚可驱动多达四个开关的栅极，并可用于控制ADTR1107 SPDT开关。

ADTR1107 CPLR_OUT耦合器输出可以连接回四个ADAR1000 RF检波器输入（图4中的DET1至DET4）之一，以测量发射输出功率。这些基于二极管的RF检波器的输入范围为−20 dBm至+10 dBm。ADTR1107定向耦合器的耦合因数范围为6 GHz时的28 dB至18 GHz时的18 dB。

ADTR1107的脉冲可以通过ADAR1000驱动的栅极电压实现，同时漏极保持恒定。这优于通过漏极的脉冲，因为这需要高功率MOSFET开关和栅极驱动器器件，而不是低电流的栅极开关。还应该注意的是，ADAR1000输出的功率足以使ADTR1107在发射模式下饱和，而ADTR1107设计用于在天线短路的情况下承受总反射功率。

ADTR1107和ADAR1000在8 GHz至16 GHz频率范围内发射和接收模式下的综合性能如图9所示。在发射模式下，它们提供约40 dB的增益和26 dBm的饱和功率，而在接收模式下，它们提供约2.9 dB的噪声系数和25 dB的增益。

图9.ADTR1107与ADAR1000耦合的发送和接收性能（单通道）。

图10显示了驱动16个ADTR1107芯片的4个ADAR1000芯片。一个简单的4线SPI控制所有片内寄存器。两个地址引脚允许SPI在同一串行线路上控制多达四个ADAR1000芯片。专用发射和接收负载引脚还提供同一阵列中所有内核芯片的同步，单个引脚控制发射和接收模式之间的快速切换。

图 10.4个ADAR1000芯片驱动16个ADTR1107芯片。

图 11.详细了解ADI相控阵功能

收发器芯片组和其他配套产品

高度集成的射频收发器芯片有助于提高天线级的集成度。ADRV9009就是这种芯片的一个例子。它提供双发射器和接收器、集成合成器和数字信号处理功能。该器件包括一个先进的直接变频接收器，内置高动态范围、宽带宽、纠错和数字滤波功能。辅助功能包括模数转换器（ADC）和DAC。还集成了用于功率放大器和RF前端控制的通用输入/输出。高性能锁相环为发射器和接收器信号路径提供小数N分频RF频率合成。它提供非常低的功耗和全面的省电模式，可在不使用时进一步节省功耗。ADRV9009采用12 mm×12 mm、196引脚芯片级球栅阵列封装。

ADI公司为相控阵天线设计提供从天线到比特的完整信号链，并针对该应用优化了IC，从而加快了客户的上市时间。IC技术的进步导致了天线设计技术的变化，推动了多个行业的变革。

审核编辑：郭婷