相控阵雷达技术中的射频应用设计

介绍无线行业的快速发展推动了射频电子器件的集成化和小型化。许多应用程序现在都从这些成就中获益。将信号链的大部分集成到完整的集成电路（IC）中，特别是实现了相控阵天线。新系统随着模拟波束成形或数字波束成形的实现而激增，提供从射频到高速转换器、收发器、PLL和电源的天线到比特解决方案的完整产品组合，以及先进的集成，创造了系统架构专业知识。本文将互联网上以各种形式分散的一些常规询问总结为更全面的讨论。从相控阵演变的简要历史开始，讨论体系结构趋势和挑战，深入了解我们对最新发展的看法，并提供文章和网络广播的链接，这些链接提供了有关各种主题的更多细节。从相控阵的发展开始。早期的相控阵工作大多是为雷达应用而开发的，因此考虑到雷达天线实现的演变，可以很好地了解现代数字波束形成天线是如何构思的。出于必要，在第二次世界大战期间和之后，雷达的重大发展得到了加速。

图1 相控阵的发展从一开始使用旋转天线的雷达到最近的全元件数字相控阵，技术一直在不断进步。脉冲压缩是一种重要的雷达处理技术。脉冲压缩是通过诸如线性频率调制（LFM）和相位码之类的波形选择来实现的，其中在匹配滤波器的输出处的脉冲比发送的脉冲短得多。脉冲压缩的量与信号带宽直接相关。到20世纪60年代，这一切都被记录下来并得到了理解。有人说雷达诞生于脉冲压缩。随着数学的理解，扩展的实现开发仍在继续，并最终形成了现代相控阵。第一种实现方式具有在管放大器中产生高功率RF的旋转天线盘。随后，第一批相控阵天线取代了转盘天线，这些天线用于非常高性能的雷达。保留了管式高功率放大器（HPA），发射信号流为：管式HPA→ 波导分布→ 移相器→ 辐射元件。

波束形成是一个全模拟系统。在接收时，可以制作几个波束图案，但该过程复杂且昂贵，因此通常仅限于几个波束。单脉冲雷达的天线系统可以通过这种方式实现。迈向固态相控阵的第一步是引入分布在每个元件的发射/接收（T/R）模块，第一批实现仍然使用具有类似后端处理的模拟波束成形。T/R模块由一个用于发射的固态HPA、一个用于接收的低噪声放大器（LNA）以及一个循环器或开关组成，以控制来自天线的RF能量（发射或接收）的方向。

目前正在进行的转变是向数字波束成形相控阵的迁移。由模拟波束形成子阵列组成的混合架构，然后是每个子阵列后面的接收器和ADC，允许数字波束形成在子阵列模式内形成许多波束。每个元件的数字相控阵包括每个元件后面的接收器和波形发生器。每个单元的数字波束成形相控阵是真正的软件定义天线方向图的推动者。

可以在许多不同的方向上同时形成许多波束，并且可以自适应地控制天线方向图，包括零点。由于系统级的可编程性，每个单元的数字相控阵已经成为许多天线架构师的目标。你能进一步解释模拟和数字波束形成之间的区别吗？这一点最好通过图2这样的插图来理解。在模拟波束成形中，通常在T/R模块之后，每个元件后面的RF域中都有移相器和增益控制。

波束方向是通过在组合之前控制每个元件的RF相位来形成的。可以应用幅度锥来帮助天线旁瓣电平。在数字波束成形中，除了它是全数字的之外，还进行了类似的过程。有完整的接收器，每个元件都有ADC，波束成形是在数字域中完成的，相移是在每个信道上数字应用的，加权和形成天线方向图。

由于波束是以数字方式形成的，因此可以在相同的ADC数据上同时创建许多天线波束方向图。这是通过复制数字波束成形时间延迟和求和结构来实现的。它是一种并行处理形式，可创建多个波束，这些波束可从同一ADC数据流中独立编程。从理论上讲，这可以扩展到大量的光束。在实践中，可实现的极限通常由数字处理能力来设置。为了将处理与实际数据速率绑定，一些系统定义了波束带宽乘积。该定义允许在波束数量和每个波束的带宽之间进行权衡，同时保持对系统所需数据速率的约束。

图2：模拟波束成形与数字波束成形模拟波束成形的一个优点是实现的简单性。数据转换器很少，因此数字开发工作非常容易管理。挑战在于模拟波束成形结构必须针对每个天线波束重复。在波束成形之后也存在单点故障。然而，对于低成本、低波束计数的系统，模拟波束成形是一个很好的选择，并且将是成本受限的天线系统中的主要候选者。数字波束成形的优点在于在多个方向上同时具有多个可编程天线波束的灵活性。

不幸的是，这些挑战是巨大的，包括大量的数字数据、同步以及每个辐射元件背后所需的电子设备的物理尺寸限制。尽管存在挑战，但当需要来自单个天线的多个同时波束时，它仍然是一种具有成本效益的架构。一种折衷方案是混合使用模拟和数字波束形成。在这种情况下，元件在模拟域中形成子阵列，然后波束可以在子阵列图案中以数字方式形成。这可以被认为是一种混合架构，并且在需要数字波束形成时也非常流行，但由于各种挑战或系统成本限制，全数字波束形成是不可行的。

你能描述一下你在射频前端的一些工作吗？首先，让我们定义射频前端。这通常包括T/R模块以及任何模拟波束成形。我们正在开发所有这些领域的产品。HPA和LNA定期发布以支持市场需求。还有低损耗、高功率的开关，可实现发射和接收之间的快速前端切换。当适合客户应用时，可以将其集成到T/R模块中作为完整的解决方案。该行业正在做大量工作来改进HPA和LNA的GaN技术。

有几个广为人知的主要激励因素，例如更高功率密度和更高击穿电压的能力。相控阵应用也有其他激励因素。在较高的工作电压下，配电中的电流较少，从而提高了系统的整体效率。较高的击穿电压为LNA带来了较高的生存功率，并且在某些情况下，可以消除对前端限制器的需要，即使GaN LNA噪声系数略高于GaAs LNA，前端限制器也可以导致总体较低的接收器噪声系数。

对于模拟波束形成器，我们最近发布了ADAR1000。这是一个X波段和Ku波段，4:1模拟波束形成器。除了所有所需的模拟波束形成功能外，还包括通过门控制进行HPA/LNA脉冲的独特功能。已经通过控制栅极而不是漏极来证明快速导通/截止。这种方法消除了通过漏极切换高电流的需要。

我们发布了关于门开关可能的电路技术的应用说明，以及ADAR1000的功能，以帮助简化T/R模块周围的控制电路。对于接收器和波形发生器，目前正在实施的一些架构是什么？接收器和波形发生器架构大致可以分为三种变体：外差、直接转换和直接采样。根据应用程序的不同，每种体系结构的选择都有优缺点。我们将所有这些视为根据目标而定，并根据人们如何使用这些部件来创建支持所有架构的IC。图3展示了不同的体系结构。尽管只示出了接收器，但是拓扑结构也适用于波形发生器信号链。

超外差方法已经存在了100年，已经得到了很好的证明，并且可以通过适当的频率规划提供卓越的性能。不幸的是，这也是最复杂的。它通常需要最大的功率、相对于可用带宽最大的物理占地面积，以及在大的分数带宽下可能非常具有挑战性的频率规划。它也是最不可编程的，除非增加硬件以在各种滤波器和LO路径之间切换。

一个新的趋势是现代高速转换器和收发器提供了在更高IF频率下采样的能力。使用这些最新版本可以简化频率计划，消除混合阶段，并降低伴随的敏捷LO复杂性。长期以来，人们一直在寻求直接采样方法，但它面临着以与直接RF采样相称的速度操作转换器和实现大输入带宽的障碍。

如今，高速转换器可用于S波段及更高波段的直接采样，参考文献中列出了几种。对于最新的高速转换器来说，在模拟输入带宽高于6GHz的情况下以GSPS速率采样是新的。在新兴的数据转换器中，更高频率的直接采样将继续是一种值得关注的趋势。随着下一代FinFET CMOS节点继续提高晶体管工作速度并降低寄生电容，新的数据转换器系列将成为可能，有可能对未来的RF系统设计产生重大影响。直接转换架构提供了数据转换器带宽的最有效使用。

数据转换器在第一奈奎斯特（Nyquist）中工作，其中性能最佳并且低通滤波更容易。这两个数据转换器一起工作，对I/Q信号进行采样，从而增加了用户带宽，而没有交织的挑战。多年来困扰直接转换架构的主要挑战是保持I/Q平衡，以达到可接受的图像抑制、LO泄漏和直流偏移水平。近年来，整个直接转换信号链的高级集成，结合数字校准，克服了这些挑战。

我们的收发器产品线基于直接转换架构。在性能合适的情况下，这些解决方案将是可用的高度集成、经济的解决方案。在数字波束形成阵列中分配波形发生器和接收器还有其他好处吗？分布式射频电子的系统工程目标之一是在信道组合时实现动态范围的改进。当组合两个RF信号时，如果RF信号在幅度和相位上匹配，并且如果每个信道中的噪声不相关，则将存在10logN的组合增益，从而产生动态范围的改善。

如果信道中的噪声是相关的，那么当它们被组合时没有改善。因此，系统工程的努力之一是跟踪相关和不相关的噪声贡献者。相关噪声可以来自信道之间共享的任何东西，包括时钟、LOs、功率等。对于大型阵列来说，这种改进具有重要价值。例如，如果噪声分量全部不相关，则100个信道可以提供20dB的动态范围改善。

我们已经开发了自己的多通道射频测试台，以确保这些参数能够为我们的客户使用我们的组件和我们自己的内部设计工作所理解。你能详细说明设计师在数字波束形成相控阵中遇到的物理尺寸挑战吗？一个基本的物理挑战是作为波长函数的元件间距，其随着工作频率的增加而减小。许多系统将元件间距设置为波长的一半或更小，以避免天线方向图中的光栅波瓣。在L波段和S波段，利用最新的收发器或直接采样转换器，在每个元件间隔内安装电子设备是可行的。随着频率增加到X波段（10GHz），这是具有挑战性的，但有了先进的集成，这是可能的。在Ka乐队，这相当具有挑战性。随着频率的增加，混合架构可以变得更加实用，4:1波束形成器，如ADAR1000，可以将接收器/激励器数量减少4，并允许为RF电子设备分配额外的空间。为了应对这一挑战，我们正在继续整合信号链的完整部分。多通道集成收发器和转换器为减少物理占地面积的射频采样奠定了基础。此外，单片RFIC、SiP（封装中的系统）和集成T/R模块中的集成RF设计都在不断进步。多通道高速转换器或收发器与RF先进技术的结合实现了现代相控阵实现所需的集成。

编辑：黄飞