Управление фазированными антенными решетками с помощью инновационных микросхем

В области проектирования систем беспроводной связи и радиолокации инженеры постоянно сталкиваются с растущими требованиями к архитектуре антенн, необходимыми для улучшения рабочих характеристик. Большое количество новых устройств возможно создать только с помощью антенн, которые будут потреблять меньше энергии и иметь более низкий профиль, чем стандартные механически управляемые антенны-тарелки. Эти требования дополняют возможность быстро изменять местоположение антенны в направлении новых угроз или приемников сигналов, передавать несколько потоков данных и обеспечить работу в течение более длительного срока службы, стараясь добиться при этом максимальной экономической эффективности. В некоторых приложениях нужно подавить входящий блокирующий сигнал и обеспечить низкую вероятность перехвата. Такие задачи решаются с помощью антенн на основе фазированных решеток, широко распространенных в данной отрасли. Присущие ранним фазированным антенным решеткам недостатки были устранены с помощью передовых полупроводниковых технологий, позволивших значительно уменьшить размер, вес и энергопотребление этих решений.

Введение

Беспроводные электронные системы, в которых для отправки и приема сигналов предусмотрены антенны, используются уже более 100 лет. Они продолжают совершенствоваться, поскольку все более актуальной становится потребность в точности, эффективности и более сложных характеристиках. В прошлые годы там, где была важна направленность, для передачи и приема сигналов широко применялись антенны-тарелки, и многие из подобных систем до сих пор хорошо работают при относительно низких затратах после многих лет оптимизации. Этим антеннам, имеющим механический поворотный механизм для изменения направления излучения, свойственны определенные недостатки, к которым относятся медленное управление, большие размеры, более низкая долговременная надежность и обеспечение только одной желаемой диаграммы направленности или потока данных. В результате инженеры разработали усовершенствованную технологию фазированной антенной решетки, позволяющую улучшить эти параметры и добавить новые функциональные возможности. Антенны с фазированной решеткой имеют электронное управление и многочисленные преимущества по сравнению со стандартными антеннами с механическим управлением, среди которых можно отметить низкий профиль, меньший объем, повышенную долговременную надежность, быстрое управление и возможность формирования нескольких лучей. Благодаря указанным преимуществам технология сможет быть применена в области военной техники, спутниковой связи и телекоммуникационных системах 5G, включая подвижную связь.

Технология фазированных антенных решеток

Фазированная антенная решетка представляет собой совокупность антенных элементов, размещенных вместе таким образом, что диаграмма направленности каждого отдельного элемента сочетается с диаграммами соседних антенн для формирования эффективной диаграммы направленности, называемой «главный лепесток». Главный лепесток передает излучаемую энергию в требуемое место, при этом антенна также предназначена для подавления сигналов, распространяемых в нежелательных направлениях, образуя нули и боковые лепестки. Антенная решетка предназначена для максимизации энергии, излучаемой в основном лепестке, и одновременного уменьшения до приемлемого уровня энергии, излучаемой в боковых лепестках. Направлением излучения можно манипулировать, изменяя фазу сигнала, подаваемого на каждый антенный элемент.

Рис. 1. Базовый принцип работы элементов фазированной антенной решетки

На рис. 1 показано, как для линейной решетки, регулируя фазу сигнала в каждой антенне, можно формировать эффективный луч в нужном направлении. В результате каждая антенна в решетке имеет независимые параметры настройки фазы и амплитуды с целью формирования желаемой диаграммы направленности. Принцип быстрого управления лучом в фазированной антенной решетке без механически движущихся частей достаточно легко понять. С помощью полупроводниковой микросхемы можно изменить фазу антенного элемента за наносекунды, что позволяет мгновенно изменить направление диаграммы направленности излучения для быстрого реагирования на новые источники или приемники сигнала. Аналогичным образом можно обеспечить эффективное подавление с целью поглощения источника помех, что сделает объект невидимым, например, такой принцип используется в самолетах-невидимках. Эти изменения в перераспределении диаграмм направленности или изменения на эффективные нули могут быть выполнены практически мгновенно, поскольку мы можем изменять фазу электрически с помощью устройств на основе микросхем, а не механических частей. Дополнительным преимуществом антенны с фазированной решеткой по сравнению с механической антенной является возможность испускать несколько лучей одновременно, благодаря чему удается отслеживать несколько целей или управлять несколькими потоками пользовательских данных. Это достигается за счет цифровой обработки сигналов нескольких потоков данных на частотах основной полосы.

В стандартной конструкции такой решетки предусмотрены полосковые антенны, собранные в одинаково разнесенные ряды и столбцы в конфигурации 4×4, то есть такая решетка состоит из 16 элементов. Компактная решетка в конфигурации 4×4 с полосковыми антеннами в качестве излучателей показана на рис. 2. Подобная антенная решетка, применяемая в наземных радиолокационных системах, может быть довольно большой и насчитывать свыше 100 000 элементов.

Рис. 2. Изображение диаграммы направленности антенной решетки в конфигурации 4×4

Существуют конструктивные компромиссы, которые необходимо учитывать, лавируя между размером решетки и энергопотреблением каждого излучающего элемента, оказывающего влияние на направленность луча и эффективную излучаемую мощность. Характеристики антенны можно спрогнозировать, взглянув на некоторые общие показатели качества работы. Зачастую проектировщики антенн обращают внимание на усиление антенны и эффективную изотропно-излучаемую мощность (EIRP), а также на отношение Gt/Tn. При этом существуют базовые уравнения, используемые для описания таких параметров, представленных в следующих выражениях. Мы можем видеть, что усиление антенны и EIRP прямо пропорциональны количеству элементов решетки. С учетом этого в наземных радарных станциях могут использоваться решетки крупного размера.

где N — количество элементов; Ge — усиление элемента; Gt — усиление антенны; Pt — полная мощность передатчика; Pe — мощность одного элемента; Tn — шумовая температура.

Другим ключевым аспектом проектирования антенны с фазированной решеткой является расстояние между элементами антенны. Определившись с целями системы путем выбора количества элементов, нужно обратить внимание, что диаметр решетки в значительной степени обусловлен ограничениями для каждого расстояния между рядами, приблизительно составляющего менее половины длины волны, что предотвращает образование побочных лепестков (дифракционных максимумов решетки). Побочные лепестки определяют энергию, излучаемую в нежелательных направлениях. Это предъявляет жесткие требования к электронике, входящей в состав решетки, в связи с чем она должна быть компактной, иметь низкое энергопотребление и небольшой вес. Из-за полуволнового интервала возникают довольно сложные задачи проектирования при разработке устройств, действующих на более высоких частотах, где расстояние между рядами становится меньше. Это приводит к тому, что степень интеграции микросхем, предназначенных для функционирования на более высоких частотах, становится все более высокой, корпусированные решения становятся все более совершенными, а методы управления температурным режимом упрощаются, несмотря на усложнение самой конструкции.

Поскольку мы разрабатываем антенну полностью с нуля, может возникнуть большое количество задач, сопряженных с проектированием решетки, в том числе задачи по маршрутизации линий управления, по управлению питанием и температурным режимом, а также задачи, связанные с импульсными схемами, с условиями окружающей среды и т. д. Сегодня в отрасли наблюдается переход к низкопрофильным решеткам, имеющим меньший объем и вес. В традиционной архитектуре используются небольшие печатные платы, размещаемые перпендикулярно на обратной стороне антенной платы. Последние 20 лет такой подход непрерывно улучшался, при этом размеры печатных плат постоянно сокращались, соответственно, уменьшалась глубина антенны. Проекты следующего поколения отходят от такой архитектуры в сторону плоскостного метода, который подразумевает, что каждая микросхема обладает достаточной степенью интеграции, позволяющей разместить ее на задней стороне антенной платы, тем самым значительно уменьшая глубину антенн и облегчая их установку в портативные устройства или авиационное оборудование. На левом изображении рис. 3 показаны размещенные на верхней стороне платы элементы антенны с золотым покрытием, а на изображении справа — аналоговый интерфейс антенны на нижней стороне платы. Это лишь часть антенны, где может быть размещен каскад преобразования частоты, выполняющийся, например, на стороне антенны, и распределительная сеть для маршрутизации сигналов от одного высокочастотного входа ко всем элементам решетки. Таким образом, становится очевидным, что микросхемы с большей степенью интеграции позволяют решить ряд задач, связанных с проектированием антенн и, поскольку антенны уменьшаются благодаря применению более компактных электронных компонентов, для процесса разработки антенны требуется новая полупроводниковая технология, которая поможет сделать решения жизнеспособными.

Рис. 3. Изображение плоской антенной решетки, на которой показаны элементы антенны, расположенные на верхней стороне печатной платы, и микросхемы, расположенные на нижней стороне печатной платы

Сравнение цифрового способа формирования диаграммы направленности с аналоговым способом

В большинстве антенн с фазированной решеткой, разработанных в прошлые годы, применялся аналоговый способ формирования диаграммы направленности, в рамках которого регулировка фазы выполняется в области ВЧ или ПЧ и для всех элементов антенны имеется лишь один набор преобразователей данных. Но сегодня наблюдается повышенный интерес к цифровому способу формирования диаграммы направленности, когда для каждого элемента антенны поступает один и тот же поток данных, а регулировка фазы происходит в цифровой форме в ПЛИС или в других преобразователях данных. Цифровой способ формирования диаграммы направленности имеет много преимуществ, например, возможность легко испускать несколько лучей или даже почти мгновенно изменять их количество. Такая функциональность может быть полезна во многих приложениях, что способствует скорейшему принятию этой технологии. Постоянные улучшения в области преобразователей данных позволили сократить их рассеиваемую мощность и расширить рабочий диапазон до более высоких частот, причем возможности высокочастотной дискретизации в L‑ и S‑диапазоне позволяют использовать указанную технологию в радиолокационных системах.

При сравнении аналогового и цифрового способов формирования диаграммы направленности необходимо учитывать несколько факторов, но анализ при таком сравнении, как правило, выполняется на основе информации о количестве требуемых лучей, рассеиваемой мощности и экономической эффективности. Цифровой способ формирования диаграммы направленности обычно характеризуется более высоким рассеиванием мощности, поскольку на каждый элемент приходится по преобразователю данных, но такой подход более универсален с точки зрения простоты создания нескольких лучей. Преобразователи данных также должны иметь более широкий динамический диапазон, ведь формирование диаграммы направленности, которая подавляет блокирующие сигналы, выполняется только после оцифровки. С помощью аналогового способа формирования диаграммы направленности можно создавать и несколько лучей, но тогда для каждого луча требуется по дополнительному каналу регулировки фазы. Например, чтобы создать систему, поддерживающую формирование 100 лучей, нужно умножить количество высокочастотных фазовращателей для системы с одним лучом на 100, поэтому стоимость системы при сравнении решения на основе преобразователей данных с решением на основе микросхем фазовой подстройки может изменяться в зависимости от количества лучей. Так же и аналоговый способ формирования диаграммы направленности, в рамках которого могут использоваться пассивные фазовращатели, изначально характеризуется меньшей рассеиваемой мощностью, но по мере увеличения количества лучей рассеивание мощности тоже будет увеличиваться, если для управления распределительной сетью понадобятся дополнительные каскады усиления. Распространенным компромиссом становится гибридный подход формирования диаграммы направленности, который предполагает наличие подрешеток аналогового способа формирования диаграммы направленности, после которых идут цифровые каскады обработки сигналов подрешеток. Это перспективная технология, и она будет развиваться в ближайшие годы.

Полупроводниковая технология

Стандартная импульсная радиолокационная система передает сигнал, который может отражаться от объекта, при этом радар ожидает возврата этого сигнала, чтобы сформировать поле обзора антенны. В прошлом такое интерфейсное решение для антенны состояло из дискретных компонентов, как правило, выполненных на основе арсенида галлия. Электронные компоненты, используемые в качестве структурных элементов для этих фазированных антенных решеток, показаны на рис. 4. К ним относятся фазовращатель, предназначенный для регулировки фазы каждого антенного элемента, аттенюатор, способный подстраивать уровень сигнала, усилитель мощности, применяемый для передачи сигнала, и малошумящий усилитель, используемый для приема сигнала, а также ключ, необходимый для переключения между трактами передачи и приема. В устройствах прошлого поколения каждая из этих микросхем могла иметь корпус размером 5×5 мм, а усовершенствованные решения могли иметь монолитную одноканальную арсенид-галлиевую микросхему, обеспечивающую такую функциональность.

Рис. 4. Пример стандартного высокочастотного интерфейса антенны с фазированной решеткой

Недавнее распространение фазированных антенных решеток стало возможным благодаря полупроводниковой технологии. Усовершенствованные узлы на основе SiGe (кремний-германий), БиКМОП и SоI (кремний на изоляторе), а также КМОП-микросхемы на монолитных подложках позволили объединить в единую микросхему цифровые схемы для организации системы управления решеткой и тракт высокочастотного сигнала для регулировки фазы и амплитуды. Сегодня возможно создание предназначенных для микроволнового оборудования многоканальных микросхем формирования диаграммы направленности, регулирующих усиление и фазу в 4‑канальной конфигурации с использованием до 32 каналов. Для устройств с более низким энергопотреблением может применяться микросхема на основе кремния, представляющая собой монолитное решение, сочетающее все вышеперечисленные функции. В оборудовании высокой мощности применяются усилители мощности на основе нитрида галлия, у которых значительно увеличена плотность мощности, благодаря чему они могут встраиваться в элементы фазированных антенных решеток, для которых ранее использовались усилители мощности на основе ламп бегущей волны или относительно маломощные усилители на основе арсенида галлия.

В области авиационного оборудования мы наблюдаем тенденцию к созданию плоских архитектур с повышенным КПД, который предлагает технология GaN (нитрид галлия). Благодаря нитриду галлия стал возможен перевод больших наземных радаров от антенн, управляемых оборудованием с лампами бегущей волны, на антенны с фазированной решеткой. Теперь у нас есть монолитные микросхемы на основе нитрида галлия, способные обеспечивать мощность более 100 Вт при КПД 50%. Сочетание этого уровня КПД с малым коэффициентом заполнения импульса радарных приложений позволяет создавать решения для поверхностного монтажа, благодаря чему можно значительно уменьшить размер, вес и стоимость антенной решетки. Дополнительным преимуществом, помимо возможности технологии GaN в обеспечении большей мощности, является уменьшение размеров по сравнению с существующими арсенид-галлиевыми дискретными решениями. Сравнивая арсенид-галлиевый усилитель мощностью 6–8 Вт для работы в X‑диапазоне с решением на основе GaN, можно сказать, что последний вариант будет занимать вполовину меньше площади. Подобное сокращение занимаемой площади становится значительным преимуществом при необходимости встраивания этой электроники в элемент фазированной антенной решетки.

Микросхемы Analog Devices для фазированных антенных решеток с аналоговым управлением

Компания Analog Devices разработала интегрированные микросхемы для аналогового формирования диаграммы направленности, предназначенные для различных областей применения, в том числе для радаров, спутниковой связи и телекоммуникационного оборудования 5G. Микросхема формирования диаграммы направленности в диапазоне X/Ku ADAR1000 представляет собой 4‑канальное устройство, действующее в частотном диапазоне 8–16 ГГц в режиме дуплексной передачи с временным разделением каналов, при этом в составе одной микросхемы объединены передатчик и приемник. Такое решение оптимально для радиолокационных систем, для оборудования спутниковой связи Ku-диапазона, где данная микросхема может быть настроена для работы либо в режиме приемопередатчика, либо только в режиме приемника. Эта 4‑канальная микросхема имеет корпус QFN для поверхностного монтажа размером 7×7 мм, что позволяет ее легко встраивать в плоские антенные решетки, при этом она будет рассеивать лишь 240 мВт на канал в режиме передачи и 160 мВт на канал в режиме приема.

Каналы приемопередатчика и приемника выведены для непосредственного подключения, благодаря чему микросхему можно сопрягать с интерфейсным модулем (FEM), который предлагает Analog Devices. На рис. 5 изображены диаграммы регулировки усиления и фазы с полным 360‑фазным охватом, где показана возможность изменения фазы с шагом менее 2,8°, а также возможность изменения усиления лучше, чем на 31 дБ. ADAR1000 имеет встроенную память для хранения информации до 121 состояния луча, одно состояние содержит все параметры фазы и усиления для всей микросхемы. Передатчик обеспечивает усиление приблизительно 19 дБ по мощности в режиме насыщения 15 дБм, где усиление тракта приема составляет приблизительно 14 дБ. Другим ключевым показателем является изменение фазы при регулировании усиления, которое составляет приблизительно 3° на 20 дБ диапазона. Аналогичным образом изменение усиления при регулировании фазы составляет около 0,25 дБ во всем 360‑градусном охвате, что облегчает задачи калибровки.

Рис. 5. Усиление/потери и регулирование фазы/усиления ADAR1000 в режиме передачи при частоте 11,5 ГГц

Эта микросхема формирования диаграммы направленности разработана для аналоговых фазированных антенных решеток или гибридных архитектур, в которых объединены аналоговые и цифровые цепи формирования диаграммы направленности. Analog Devices предлагает наиболее полное решение, охватывающее всю сигнальную цепочку от антенны до цифровой области, в которое входят преобразователи данных, элементы преобразования частоты, микросхема аналогового формирования диаграммы направленности, а также интерфейсный модуль. Такой объединенный набор микросхем позволяет Analog Devices сочетать различные функциональные элементы и соответствующим образом оптимизировать микросхемы с целью упрощения процесса проектирования антенны для своих заказчиков (рис. 6).

Рис. 6. Узнать больше о возможностях ADI в области фазированных антенных решеток можно на analog.com/ru/phasedarray