數(shù)字波束成形相控陣中RF電子器件的物理尺寸分配

相控陣雷達和有源電子掃描陣列（AESA）已經(jīng)在航空航天和國防市場中使用和部署了十多年。這一時期主要從模擬波束成形系統(tǒng)開始，并不斷遷移到更高水平的數(shù)字波束成形。系統(tǒng)工程目標不斷需要接近元素的數(shù)字波束成形實現(xiàn)，以實現(xiàn)的靈活性和可編程性。

相控陣雷達和有源電子掃描陣列（AESA）已經(jīng)在航空航天和國防市場中使用和部署了十多年。這一時期主要從模擬波束成形系統(tǒng)開始，并不斷遷移到更高水平的數(shù)字波束成形。系統(tǒng)工程目標不斷需要接近元素的數(shù)字波束成形實現(xiàn)，以實現(xiàn)的靈活性和可編程性。

遷移到近元素數(shù)字波束成形存在許多挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)范圍包括校準、數(shù)字控制、時鐘分配、LO、電源、處理數(shù)據(jù)量以及電子設備的物理尺寸限制。無線行業(yè)RF IC的大量進步繼續(xù)使RF設計具有更高集成度的能力，現(xiàn)在每個元件數(shù)字波束成形陣列的實際實現(xiàn)正在成為現(xiàn)實。

在本文中，我們將重點介紹電子產(chǎn)品的物理尺寸要求。討論了物理尺寸要求與工作頻率的關系，并回顧了實際的實現(xiàn)方法。

天線元件間距與頻率的關系

首先，將天線元件間距視為頻率的函數(shù)。為了避免光柵瓣，需要λ/2或更小的元件間距，其中λ是工作頻率波長。

極化多樣性也正在成為理想的系統(tǒng)目標。此功能提供了對各種天線極化進行編程的能力，包括水平、垂直或左右手圓極化。實現(xiàn)此功能的天線元件實現(xiàn)是具有兩個端口的輻射元件，其中每個端口都以正交極化輻射。通過控制每個端口的相對相位和幅度，可以產(chǎn)生不同的極化。雖然對系統(tǒng)來說是一個顯著的好處，但不幸的是，此功能使所需的天線端口數(shù)量增加了一倍，并使支持電子設備復雜化。

圖1顯示了元件間距與頻率的關系，假設有一個λ/2天線元件間距實現(xiàn)。通過概述這些物理尺寸限制，可以評估天線后面的RF子系統(tǒng)，以評估滿足電子通道間隔與頻率所需的實現(xiàn)。

圖1.元素間距與頻率的關系。

頻率元素間距雙極 I/O 間距
3千兆赫50毫米，2英寸25毫米，1英寸
10千兆赫15 毫米，600 密耳7.5毫米，300密耳
30千兆赫5 毫米，200 密耳2.5毫米，100密耳

波形發(fā)生器和接收器通道間距

圖2顯示了ADI收發(fā)器產(chǎn)品之一的評估板。該板包含兩個收發(fā)器。每個收發(fā)器包含兩個發(fā)射和接收通道（見圖3），因此實現(xiàn)了四個完整的波形發(fā)生器和接收器。該板還包括一個時鐘 IC 和幾個用于評估器件的其他 I/O 功能。

　
圖2.收發(fā)器通道間距。

　
圖3.收發(fā)器產(chǎn)品線包括雙波形發(fā)生器和接收器。

雖然該板不是為了盡可能高的集成度，但該板提供了對波形發(fā)生器和接收器部分的實際尺寸限制的深入了解。從電路板上可以很快看出，收發(fā)器產(chǎn)品線支持每個元件的數(shù)字天線間距到C波段，并且通過一些額外的努力，可以實現(xiàn)X波段元件間距。

接下來，配接RF上/下變頻器的物理尺寸如圖4所示。該特定板旨在用作雙收發(fā)器板的測試板配套，并再次可用于考慮該RF子系統(tǒng)的實際物理尺寸限制。該板采用標準的低成本方法，使用所有市售部件。同樣，這表明這種類型的實現(xiàn)支持每個元件數(shù)字天線，可達C波段。如果遷移到X波段，每個數(shù)字元件都可以實現(xiàn)，從而能夠與SiP（系統(tǒng)級封裝）集成進一步集成。

這兩塊電路板概述了低成本商業(yè)實現(xiàn)支持頻率高達C波段的數(shù)字波束成形相控陣中的每個元件。X波段及以上的每個元件實現(xiàn)可以通過進一步集成來實現(xiàn)，或者作為替代波束成形IC可用于減少波形發(fā)生器和接收器通道的數(shù)量相對于元件的數(shù)量。4：1 X/Ku波段波束成形器現(xiàn)已商業(yè)化，是這些頻率下低成本數(shù)字波束成形相控陣的實用方法。

Ka波段元素間距

接下來，考慮Ka波段天線元件間距，如圖5所示。在 30 GHz 時，λ/2 間距為 5 mm，如圖所示，這對電子設備來說是相當具有挑戰(zhàn)性的。然而，在與天線元件正對的這個間距內實現(xiàn)4：1模擬波束成形器是可行的。挑戰(zhàn)在于物理尺寸限制幾乎沒有機會使用其他組件。這就需要在波束成形封裝中包含LNA或PA，并將去耦電容等無源元件埋在PWB內。

Ka波段衛(wèi)星系統(tǒng)的一個幸運的設計優(yōu)勢是，大多數(shù)系統(tǒng)將發(fā)射和接收功能分離到單獨的天線中。這為設計僅發(fā)射或僅接收針對特定任務優(yōu)化的波束成形IC提供了機會。

總結

無線行業(yè)RF IC的持續(xù)發(fā)展已成為數(shù)字波束成形相控陣技術普及的推動因素?，F(xiàn)在，使用標準PWB技術設計每個元件的數(shù)字波束成形相控陣對于高達C波段的頻率是可行的。在更高頻率的X波段，每個元素的數(shù)字實現(xiàn)都是可行的，但可能需要額外的設計工作來進一步集成?；蛘?，可以使用4：1模擬波束成形器，為電子設備提供額外的空間，并再次允許使用標準的PWB實現(xiàn)方法。在Ka波段物理尺寸約束下，這可能變得具有挑戰(zhàn)性。然而，通過將前端電子元件集成到波束成形器封裝中，現(xiàn)在可以實現(xiàn)子陣列天線架構或全模擬波束成形系統(tǒng)。