IC集成推動(dòng)實(shí)現(xiàn)平板相控陣天線設(shè)計(jì)摘要半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了相控陣天線在整個(gè)行業(yè)的普及。早在幾年前，軍事應(yīng)用中已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)從機(jī)械轉(zhuǎn)向天線到有源電子掃描天線(AESA)的轉(zhuǎn)變，但直到最近，才在衛(wèi)星通信和5G通信中取得快速發(fā)展。小型AESA具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括能夠快速轉(zhuǎn)向、生成多種輻射模式、具備更高的可靠性；但是，在IC技術(shù)取得重大進(jìn)展之前，這些天線都無(wú)法廣泛使用。平面相控陣需要采用高度集成、低功耗、高效率的設(shè)備，以便用戶將這些組件安裝在天線陣列之后，同時(shí)將發(fā)熱保持在可接受的水平。本文將簡(jiǎn)要描述相控陣芯片組的發(fā)展如何推動(dòng)平面相控陣天線的實(shí)現(xiàn)，并采用示例輔助解釋和說(shuō)明。簡(jiǎn)介在過(guò)去幾年里，我們?cè)诜浅Ｖ匾暦较蛐缘膱?chǎng)合廣泛使用拋物線碟形天線來(lái)發(fā)射和接收信號(hào)。其中許多系統(tǒng)表現(xiàn)出色，在經(jīng)過(guò)多年優(yōu)化之后保持了相對(duì)較低的成本。但這些機(jī)械轉(zhuǎn)向碟形天線存在一些缺點(diǎn)。它們體積龐大，操作緩慢，長(zhǎng)期可靠性較差，而且只能提供一種所需的輻射模式或數(shù)據(jù)流。相控陣天線采用電信號(hào)轉(zhuǎn)向機(jī)制，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如高度低，體積小、更好的長(zhǎng)期可靠性、快速轉(zhuǎn)向、多波束等。相控陣天線設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面是天線元件的間隔。大部分陣列都需要大約半個(gè)波長(zhǎng)的元件間隔，因此在更高頻率下需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，由此推動(dòng)IC在更高頻率下，實(shí)現(xiàn)更高程度的集成，越加先進(jìn)的封裝解決方案。人們對(duì)將相控陣天線技術(shù)應(yīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚的興趣。但是，受限于目前可用的IC，工程師無(wú)法讓相控陣天線成為現(xiàn)實(shí)。近期開(kāi)發(fā)的IC芯片組成功解決了這一問(wèn)題。半導(dǎo)體技術(shù)正朝著先進(jìn)的硅IC方向發(fā)展，這讓我們可以將數(shù)字控制、存儲(chǔ)器和RF晶體管組合到同一個(gè)IC中。此外，氮化鎵(GaN)顯著提高了功率放大器的功率密度，可以幫助大幅減小占位面積。相控陣技術(shù)在行業(yè)向體積和重量更小的小型陣列轉(zhuǎn)變期間，IC起到了重大的推動(dòng)作用。傳統(tǒng)的電路板結(jié)構(gòu)基本使用小型PCB板，其上的電子元件垂直饋入天線PCB的背面。在過(guò)去的20年中，這種方法不斷改進(jìn)，以持續(xù)減小電路板的尺寸，從而減小天線的深度。下一代設(shè)計(jì)從這種板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向平板式方法，平板設(shè)計(jì)大大減小

了天線的深度，使它們能更容易地裝入便攜應(yīng)用或機(jī)載應(yīng)用當(dāng)中。要實(shí)現(xiàn)更小的尺寸，需要每個(gè)IC足夠程度的集成，以便將它們裝入天線背面。在平面陣列設(shè)計(jì)中，天線背面可用于IC的空間受到天線元件間距的限制。舉例來(lái)說(shuō)，在高達(dá)60。的掃描角度下，要防止出現(xiàn)光柵波瓣，最大天線元件間隔需要達(dá)到0.54入。圖1顯示了最大元件間距（英寸）和頻率的關(guān)系。隨著頻率提高，元件之間的間隔變得非常小，由此擠占了天線背后組件所需的空間。里里普聲53里里普聲53圖1.阻止在偏離瞄準(zhǔn)線60°時(shí)產(chǎn)生光柵波瓣的天線元件間隔在圖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。PifSTgpPpp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(kāi)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(lái)發(fā)射信號(hào)，使用低噪聲放大器來(lái)接收信號(hào)，最后，使用另一個(gè)開(kāi)關(guān)在發(fā)射器和接收器之間進(jìn)行切換。在過(guò)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(lái)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(wú)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PifSTgpPppFrflFrt-EiHfilC答警gClwi圖3.相控陣天線的典型RF前端。相控陣天線技術(shù)近年來(lái)的普及離不開(kāi)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)。SiGeBiCMOS、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(shì)，因?yàn)槠渫瑫r(shí)具有GaN技術(shù)的功率附加效率(PAE)優(yōu)勢(shì)。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)GaNIC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GaNIC，這類IC能提供超過(guò)100W的功率，PAE超過(guò)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GaAsIC解決方案相比的額外好處是尺寸減小了。舉例來(lái)說(shuō)，相比基于GaAs的放大器，X波段上6W至8W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(wú)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(kāi)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)、軍事和航空航天應(yīng)用都開(kāi)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(kāi)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(lái)。ADAR1000X-/Ku波段波束成型IC是一款4通道器件，覆蓋頻段為8GHz至16GHz，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(guò)四個(gè)接收通道并組合在通用RF_IO引腳中。在發(fā)射模式下，RF_IO輸入信號(hào)被分解并通過(guò)四個(gè)發(fā)射通道。功能框圖如圖4所示。簡(jiǎn)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7mmX7mmQFN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240mW/通道，在接收模式下功耗僅為160mW/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(zhǎng)和優(yōu)于30dB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19dB的增益和15dBm的飽和功率，其中接收增益約為14dB。另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是增益設(shè)置內(nèi)的相位變化，在20dB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0.25dB，緩解了校準(zhǔn)難題。

€g3-S圖4.ADAR1000功能框圖圖5.ADAR1000發(fā)射增益/回波損耗和相位/增益控制，其中頻率二11.5GHz前端ICADTR1107是ADAR1000波束成型芯片的補(bǔ)充。ADTR1107是一款緊湊型的6GHz至18GHz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(kāi)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25dBm飽和輸出功率（PSAT）和22dB小信號(hào)增益，在接收狀態(tài)下提供18dB小信號(hào)增益和2.5dB噪聲系數(shù)（包括T/R開(kāi)關(guān)）。該器件配有雙向耦合器，用于檢測(cè)功率。輸入/輸出（I/O）內(nèi)部匹配至50Q。ADTR1107采用5mmX5mm、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(jiàn)圖8。四個(gè)ADTR1107IC由一個(gè)ADAR1000內(nèi)核芯片驅(qū)動(dòng)。出于簡(jiǎn)單考慮，圖上只顯示其中一個(gè)ADTR1107IC的連接。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(wú)縫連接。雖然ADTR1107LNA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丁日輸入或串行外設(shè)接口寫(xiě)入置位。置位ADAR1000TR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(kāi)關(guān)的柵級(jí)，且可用于控制ADTR1107SPDT開(kāi)關(guān)。ADTR1107CPLR_OUT耦合器輸出可以與4個(gè)ADAR1000RF檢波器輸入（圖4中的DET1至DET4）中的一個(gè)回連，以測(cè)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20dBm至+10dBm。ADTR1107定向耦合器的耦合系數(shù)從6GHz時(shí)的28dB到18GHz時(shí)的18dB。可以通過(guò)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(guò)漏極脈沖，這種方法更優(yōu)化，因?yàn)檫@會(huì)用到高功率MOSFET開(kāi)關(guān)和柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器器件與柵級(jí)開(kāi)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可以承受總反射功在發(fā)射和接收模式下，ADTR1107和ADAR1000在8GHz至16GHz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40dB增益和26dBm飽和功率，在接收模式下，則提供約2.9dB噪聲系數(shù)和25dB增益。圖10所示為4個(gè)ADAR1000芯片驅(qū)動(dòng)16個(gè)ADTR1107芯片。簡(jiǎn)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。菖5BV1!□<□vQnCE!菖5BV1!□<□vQnCE!圖8.將ADTR1107前端IC與ADAR1000X波段和Ku波段波束成型器連接jFMPfcliJEraJia'mdunak^HRJJ.旨3■與￡.主里S3.WJPHrdEnr]-f-MnfdB】PAEIX5圖9jFMPfcliJEraJia'mdunak^HRJJ.旨3■與￡.主里S3.WJ?J圖10.4個(gè)ADAR1000芯片驅(qū)動(dòng)16個(gè)ADTR1107芯片?J圖11.有關(guān)ADI相控陣產(chǎn)品的信息收發(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