相控陣?yán)走_(dá)和有源電子掃描陣列（AESA）已經(jīng)在航空航天和國(guó)防市場(chǎng)中使用和部署了十多年。這一時(shí)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(biāo)不斷需要接近元素的數(shù)字波束成形實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性和可編程性。

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

在本文中，我們將重點(diǎn)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(guān)系，并回顧了實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方法。

天線元件間距與頻率的關(guān)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(zhǎng)。

極化多樣性也正在成為理想的系統(tǒng)目標(biāo)。此功能提供了對(duì)各種天線極化進(jìn)行編程的能力，包括水平、垂直或左右手圓極化。實(shí)現(xiàn)此功能的天線元件實(shí)現(xiàn)是具有兩個(gè)端口的輻射元件，其中每個(gè)端口都以正交極化輻射。通過控制每個(gè)端口的相對(duì)相位和幅度，可以產(chǎn)生不同的極化。雖然對(duì)系統(tǒng)來說是一個(gè)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(shè)備復(fù)雜化。

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

圖1.元素間距與頻率的關(guān)系。

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(píng)估板。該板包含兩個(gè)收發(fā)器。每個(gè)收發(fā)器包含兩個(gè)發(fā)射和接收通道（見圖3），因此實(shí)現(xiàn)了四個(gè)完整的波形發(fā)生器和接收器。該板還包括一個(gè)時(shí)鐘 IC 和幾個(gè)用于評(píng)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(duì)波形發(fā)生器和接收器部分的實(shí)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(gè)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(shí)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(cè)試板配套，并再次可用于考慮該RF子系統(tǒng)的實(shí)際物理尺寸限制。該板采用標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)支持每個(gè)元件數(shù)字天線，最高可達(dá)C波段。如果遷移到X波段，每個(gè)數(shù)字元件都可以實(shí)現(xiàn)，從而能夠與SiP（系統(tǒng)級(jí)封裝）集成進(jìn)一步集成。

圖4.X/ku波段RF上/下變頻器。

這兩塊電路板概述了低成本商業(yè)實(shí)現(xiàn)支持頻率高達(dá)C波段的數(shù)字波束成形相控陣中的每個(gè)元件。X波段及以上的每個(gè)元件實(shí)現(xiàn)可以通過進(jìn)一步集成來實(shí)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(duì)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(shí)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(shí)，λ/2 間距為 5 mm，如圖所示，這對(duì)電子設(shè)備來說是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。然而，在與天線元件正對(duì)的這個(gè)間距內(nèi)實(shí)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(jī)會(huì)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(nèi)。

圖5.Ka 波段物理足跡。

Ka波段衛(wèi)星系統(tǒng)的一個(gè)幸運(yùn)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)是，大多數(shù)系統(tǒng)將發(fā)射和接收功能分離到單獨(dú)的天線中。這為設(shè)計(jì)僅發(fā)射或僅接收針對(duì)特定任務(wù)優(yōu)化的波束成形IC提供了機(jī)會(huì)。

總結(jié)

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(shù)普及的推動(dòng)因素。現(xiàn)在，使用標(biāo)準(zhǔn)PWB技術(shù)設(shè)計(jì)每個(gè)元件的數(shù)字波束成形相控陣對(duì)于高達(dá)C波段的頻率是可行的。在更高頻率的X波段，每個(gè)元素的數(shù)字實(shí)現(xiàn)都是可行的，但可能需要額外的設(shè)計(jì)工作來進(jìn)一步集成。或者，可以使用4：1模擬波束成形器，為電子設(shè)備提供額外的空間，并再次允許使用標(biāo)準(zhǔn)的PWB實(shí)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(shí)現(xiàn)子陣列天線架構(gòu)或全模擬波束成形系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷