在圖2中，左圖展示了PCB頂部的金色貼片天線元件，右圖顯示了PCB底部的天線模擬前端。在這些設(shè)計(jì)中，在其他層上部署變頻級(jí)和分配網(wǎng)絡(luò)也是非常典型的。很明顯可以看出，采用更多集成IC可以大幅降低在所需空間內(nèi)部署天線設(shè)計(jì)的難度。在我們將更多電子元件封裝到更小尺寸內(nèi)，使得天線尺寸減小之后，我們需要采用新的半導(dǎo)體和封裝技術(shù)，讓解決方案變得可行。

 

圖2. 平面陣列，圖中所示為PCB頂部的天線貼片，IC則位于天線PCB的背面。

 

半導(dǎo)體技術(shù)和封裝

 

圖3中顯示了作為相控陣天線構(gòu)建模塊的微波和毫米波 (mmW) IC組件。在波束成型部分，衰減器調(diào)整每個(gè)天線元件的功率電平，以減少天線方向圖中的柵瓣。移相器調(diào)整每個(gè)天線元件的相位以引導(dǎo)天線主波束，并且使用開關(guān)在發(fā)射器和接收器路徑之間切換。在前端IC部分，使用功率放大器來發(fā)射信號(hào)，使用低噪聲放大器來接收信號(hào)，最后，使用另一個(gè)開關(guān)在發(fā)射器和接收器之間進(jìn)行切換。在過去的配置中，每個(gè)IC都作為獨(dú)立的封裝器件提供。更先進(jìn)的解決方案使用集成單芯片單通道砷化鎵 (GaAs) IC來實(shí)現(xiàn)這一功能。對(duì)于大部分陣列，在波束成型器之前都配有無源RF組合器網(wǎng)絡(luò)、接收器/激勵(lì)器和信號(hào)處理器，這一點(diǎn)圖中未顯示。

 

圖3. 相控陣天線的典型RF前端。

 

相控陣天線技術(shù)近年來的普及離不開半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)。SiGe BiCMOS、絕緣體上硅 (SOI) 和體CMOS中的高級(jí)節(jié)點(diǎn)將數(shù)字和RF電路合并到一起。這些IC可以執(zhí)行陣列中的數(shù)字任務(wù)，以及控制RF信號(hào)路徑，以實(shí)現(xiàn)所需的相位和幅度調(diào)整。如今，我們已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)多通道波束成型IC，此類IC可在4通道配置中調(diào)整增益和相位，最多可支持32個(gè)通道，可用于毫米波設(shè)計(jì)。在一些低功耗示例中，基于硅的IC有可能為上述所有功能提供單芯片解決方案。在高功率應(yīng)用中，基于氮化鎵的功率放大器顯著提高了功率密度，可以安裝到相控陣天線的單元構(gòu)件中。這些放大器傳統(tǒng)上一般使用基于行波管 (TWT) 的技術(shù)或基于相對(duì)低功耗的GaAs的IC。

 

在機(jī)載應(yīng)用中，我們看到了平板架構(gòu)日益盛行的趨勢，因?yàn)槠渫瑫r(shí)具有GaN技術(shù)的功率附加效率 (PAE) 優(yōu)勢。GaN還使大型地基雷達(dá)能夠從由TWT驅(qū)動(dòng)的碟形天線轉(zhuǎn)向由固態(tài)GaN IC驅(qū)動(dòng)、基于相控陣的天線技術(shù)。我們目前能使用單芯片GaN IC，這類IC能提供超過100 W的功率，PAE超過50％。將這種效率水平與雷達(dá)應(yīng)用的低占空比相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)表貼解決方案，以散除外殼基座中產(chǎn)生的熱量。這些表貼式功率放大器大大減小了天線陣列的尺寸、重量和成本。在GaN的純功率能力以外，與現(xiàn)有GaAs IC解決方案相比的額外好處是尺寸減小了。舉例來說，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積可減少50％或以上。在將這些電子器件裝配到相控陣天線的單元構(gòu)件中時(shí)，這種占位面積的減小有著顯著的意義。

 

封裝技術(shù)的發(fā)展也大大降低了平面天線架構(gòu)的成本。高可靠性設(shè)計(jì)可能使用鍍金氣密外殼，芯片和線纜在其內(nèi)部互連。這些外殼在極端環(huán)境下更堅(jiān)固，但體積大，且成本高昂。多芯片模塊(MCM) 將多個(gè)MMIC器件和無源器件集成到成本相對(duì)較低的表貼封裝中。MCM仍然允許混合使用半導(dǎo)體技術(shù)，以便最大化每個(gè)器件的性能，同時(shí)大幅節(jié)省空間。例如，前端IC中可能包含PA、LNA和T/R開關(guān)。封裝基座中的熱通孔或固體銅廢料被用于散熱。為了節(jié)省成本，許多商業(yè)、防務(wù)和航空航天應(yīng)用都開始使用成本更低的表貼封裝選項(xiàng)。

 

相控陣波束成型IC

 

集成式模擬波束成型IC一般被稱為核心芯片，旨在為包括雷達(dá)、衛(wèi)星通信和5G通信在內(nèi)的廣泛應(yīng)用提供支持。這些芯片的主要功能是準(zhǔn)確設(shè)置每個(gè)通道的相對(duì)增益和相位，以在天線主波束所需的方向增加信號(hào)。該波束成型IC專為模擬相控陣應(yīng)用或混合陣列架構(gòu)而開發(fā)，混合陣列架構(gòu)將一些數(shù)字波束成型技術(shù)與模擬波束成型技術(shù)結(jié)合起來。

 

ADAR1000 X-/Ku波段波束成型IC是一款4通道器件，覆蓋頻段為8 GHz至16 GHz，采用時(shí)分雙工 (TDD) 模式，其發(fā)射器和接收器集成在一個(gè)IC當(dāng)中。在接收模式下，輸入信號(hào)通過四個(gè)接收通道并組合在通用RF_IO引腳中。在發(fā)射模式，RF_IO輸入信號(hào)被分解并通過四個(gè)發(fā)射通道。功能框圖如圖4所示。

 

圖4. ADAR1000功能框圖。

 

簡單的4線式串行端口接口 (SPI) 可以控制所有片內(nèi)寄存器。兩個(gè)地址引腳可對(duì)同一串行線纜上的最多四個(gè)器件進(jìn)行SPI控制。專用發(fā)射和接收引腳可同步同一陣列中的所有內(nèi)核芯片，且單引腳可控制發(fā)射和接收模式之間的快速切換。這款4通道IC采用7 mm×7 mm QFN表貼封裝，可輕松集成到平板陣列當(dāng)中。高度集成，再加上小型封裝，可以解決通道數(shù)量較多的相控陣架構(gòu)中一些尺寸、重量和功率挑戰(zhàn)。此器件在發(fā)射模式下功耗僅為 240 mW/通道，在接收模式下功耗僅為160 mW/通道。

 

發(fā)射和接收通道直接可用，在外部設(shè)計(jì)上可以與前端IC配合使用。圖5顯示了器件的增益和相位圖。具有全360°相位覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)小于2.8°的相位步長和優(yōu)于30 dB的增益調(diào)整。ADAR1000集成片上存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)多達(dá)121個(gè)波束狀態(tài)，其中一個(gè)狀態(tài)包含整個(gè)IC的所有相位和增益設(shè)置。發(fā)射器提供大約19 dB的增益和15 dBm的飽和功率，其中接收增益約為14 dB。另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是增益設(shè)置內(nèi)的相位變化，在20 dB范圍內(nèi)約為3°。同樣，在整個(gè)360°相位覆蓋范圍內(nèi)，相位的增益變化約為0.25 dB，緩解了校準(zhǔn)難題。

 

圖5. ADAR1000發(fā)射增益/回波損耗和相位/增益控制，其中頻率 = 11.5 GHz。

 

前端IC ADTR1107是ADAR1000波束成型芯片的補(bǔ)充。ADTR1107是一款緊湊型的6 GHz至18 GHz前端IC，包含集成式功率放大器、低噪聲放大器 (LNA)，以及一個(gè)反射性的單刀雙擲 (SPDT) 開關(guān)。功能框圖如圖6所示。

 

圖6. ADTR1107功能框圖。

 

這款前端IC在發(fā)射狀態(tài)下提供25 dBm飽和輸出功率 (PSAT) 和22 dB小信號(hào)增益，在接收狀態(tài)下提供18 dB小信號(hào)增益和2.5 dB噪聲系數(shù)（包括T/R開關(guān)）。該器件配有雙向耦合器，用于檢測功率。輸入/輸出 (I/O) 內(nèi)部匹配至50 Ω。ADTR1107采用5 mm × 5 mm、24引腳基板柵格陣列 (LGA) 封裝。ADTR1107的發(fā)射和接收增益及回波損耗如圖7所示。

 

圖7. ADTR1107的發(fā)射增益/回波損耗和接收增益/回波損耗。

 

ADTR1107專用于和ADAR1000輕松集成。接口原理圖見圖8。四個(gè)ADTR1107 IC由一個(gè)ADAR1000內(nèi)核芯片驅(qū)動(dòng)。出于簡單考慮，圖上只顯示其中一個(gè)ADTR1107 IC的連接。

 

圖8. 將ADTR1107前端IC與ADAR1000 X波段和Ku波段波束成型器連接。

 

ADAR1000提供所需的所有柵級(jí)偏置和控制信號(hào)，使其與前端IC無縫連接。雖然ADTR1107 LNA柵級(jí)電壓自偏置，我們也可以從ADAR1000控制電壓。ADTR1107功率放大器的柵級(jí)電壓也由ADAR1000 提供。由于1個(gè)ADAR1000驅(qū)動(dòng)4個(gè)ADTR1107，所以偏置功率放大器電壓需要4個(gè)獨(dú)立的負(fù)極柵級(jí)電壓。每個(gè)電壓都由一個(gè)8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 設(shè)置。此電壓可由ADAR1000 TR輸入或串行外設(shè)接口寫入置位。置位ADAR1000 TR引腳會(huì)在接收和發(fā)射模式之間切換ADAR1000的極性。TR_SW_POS引腳可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)4個(gè)開關(guān)的柵級(jí)，且可用于控制ADTR1107 SPDT開關(guān)。

 

ADTR1107 CPLR_OUT耦合器輸出可以與4個(gè)ADAR1000 RF檢波器輸入（圖4中的DET1至DET4）中的一個(gè)回連，以測量發(fā)射輸出功率。這些基于二極管的RF檢波器的輸入范圍為−20 dBm至+10 dBm。ADTR1107定向耦合器的耦合系數(shù)從6 GHz時(shí)的28 dB到18 GHz時(shí)的18 dB。

 

可以通過ADAR1000驅(qū)動(dòng)的柵級(jí)電壓實(shí)現(xiàn)ADTR1107脈沖，同時(shí)保持漏極恒定。相比通過漏極脈沖，這種方法更優(yōu)化，因?yàn)檫@會(huì)用到高功率MOSFET開關(guān)和柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器器件與柵級(jí)開關(guān)，后者采用低電流。還應(yīng)注意，在發(fā)射模式下ADAR1000提供足夠功率會(huì)令A(yù)DTR1107飽和，在天線短路時(shí)ADTR1107可以承受總反射功率。

 

在發(fā)射和接收模式下，ADTR1107和ADAR1000在8 GHz至16 GHz頻率范圍內(nèi)的組合性能如圖9所示。在發(fā)射模式下，它們提供約40 dB增益和26 dBm飽和功率，在接收模式下，則提供約2.9 dB噪聲系數(shù)和25 dB增益。

 

圖9. 與ADAR1000（單通道）耦合的ADTR1107的發(fā)射和接收性能。

 

圖10所示為4個(gè)ADAR1000芯片驅(qū)動(dòng)16個(gè)ADTR1107芯片。簡單的四線式SPI控制所有片內(nèi)寄存器。兩個(gè)地址引腳可對(duì)同一串行線纜上的最多四個(gè)ADAR1000芯片進(jìn)行SPI控制。專用發(fā)射和接收負(fù)載引腳也可同步同一陣列中的所有內(nèi)核芯片，且單引腳可控制發(fā)射和接收模式之間的快速切換。

 

圖10. 4個(gè)ADAR1000芯片驅(qū)動(dòng)16個(gè)ADTR1107芯片。

 

收發(fā)器芯片組和其他配套產(chǎn)品

 

高度集成的射頻收發(fā)器芯片可以提升天線層面的集成。ADRV9009 就是這種芯片一個(gè)很好的例子。它提供雙發(fā)射器和接收器、集成式頻率合成器和數(shù)字信號(hào)處理功能。該器件采用先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)換接收器，具有高動(dòng)態(tài)范圍、寬帶寬、錯(cuò)誤校準(zhǔn)和數(shù)字濾波功能。還集成了多種輔助功能，比如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，以及用于功率放大器的通用輸入/輸出以及RF前端控制。高性能鎖相環(huán)可同時(shí)針對(duì)發(fā)射器和接收器信號(hào)路徑提供小數(shù)N分頻RF頻率合成。它提供極低功耗和全面的關(guān)斷模式，以在不使用時(shí)進(jìn)一步省電。ADRV9009采用12 mm × 12 mm、196引腳芯片級(jí)球柵陣列封裝。

 

ADI公司為相控陣天線設(shè)計(jì)提供從天線到位的整個(gè)信號(hào)鏈，且針對(duì)此應(yīng)用優(yōu)化IC，以幫助客戶加快上市時(shí)間。IC技術(shù)的進(jìn)步促使天線技術(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)變，推動(dòng)了多個(gè)行業(yè)的變革。

（來源：亞德諾半導(dǎo)體）