Инженер

May 20, 2023

Питер Делос

Руководитель отдела проектирования, Analog Devices

Введение

Мы являемся свидетелями исторического момента для радиочастотной (РЧ) электроники в приложениях с фазированными решетками. Быстрый прогресс в индустрии беспроводной связи привел к распространению интеграции и миниатюризации радиочастотной электроники. Многие приложения теперь пожинают плоды этих достижений. Интеграция больших участков сигнальной цепи в полные интегральные схемы (ИС) позволила, в частности, создать антенны с фазированной решеткой. Новые системы распространяются благодаря реализации аналогового или цифрового формирования луча, чему способствуют недавние выпуски микросхем на широкие рынки.

В Analog Devices мы регулярно получаем запросы и запросы на интервью от клиентов и издателей. Полный портфель, предлагающий решения для преобразования антенн в биты, начиная от радиочастотных и заканчивая высокоскоростными преобразователями, приемопередатчиками, системами ФАПЧ и питанием, а также расширенную интеграцию, позволил создать экспертную базу в области системной архитектуры. Наши разработки, охватывающие всю цепочку радиочастотных сигналов, которые позволят создать фазированные решетки будущего, вызывают большой интерес.

В этой статье обобщаются некоторые рутинные запросы, которые в различных формах разбросаны по Интернету, и приводится к более подробному обсуждению. Мы начнем с краткой истории эволюции фазированных решеток, обсудим тенденции и проблемы архитектуры, изложим наш взгляд на последние разработки и предоставим ссылки на статьи и веб-трансляции, которые предоставляют более подробную информацию по различным темам.

Начнем с эволюции фазированных решеток. Как мы здесь оказались?

Большая часть ранних работ по фазированной решетке была разработана для радиолокационных приложений, поэтому рассмотрение эволюции реализаций радиолокационных антенн дает хорошее представление о том, как были задуманы современные антенны с цифровым формированием диаграммы направленности. Из-за необходимости значительное развитие радаров было ускорено во время и после Второй мировой войны. После Второй мировой войны большая часть математических вычислений, используемых сегодня для обработки сигналов и радиолокации, была разработана в различных правительственных лабораториях и организациях.

Важным методом обработки радиолокационных сигналов является сжатие импульсов. Сжатие импульсов обеспечивается за счет выбора формы сигнала, например, линейной частотной модуляции (LFM) и фазовых кодов, при которых импульс на выходе согласованного фильтра намного короче передаваемого импульса. Степень сжатия импульса напрямую связана с полосой пропускания сигнала. Все это было задокументировано и понято к 1960-м годам. Некоторые говорят, что радар родился со сжатием импульсов. После понимания математики продолжались разработки расширенных реализаций, которые в конечном итоге привели к созданию современной фазированной решетки.

Первые реализации имели вращающиеся антенные тарелки, а радиочастотные сигналы высокой мощности генерировались в ламповых усилителях. Затем вращающиеся антенны были заменены первыми антеннами с фазированной решеткой, которые использовались в радарах очень высокой производительности. Ламповые усилители высокой мощности (HPA) остались, и поток передаваемого сигнала был следующим: ламповые HPPA → волноводное распределение → фазовращатели → излучающие элементы. Формирование луча представляло собой полностью аналоговую систему. При приеме можно было создать несколько диаграмм направленности, но этот процесс был сложным и дорогим, поэтому обычно ограничивался несколькими лучами. Таким образом можно реализовать антенные системы для моноимпульсных радаров. Первым шагом на пути к твердотельным фазированным решеткам стало внедрение модулей передачи/приема (T/R), распределенных по каждому элементу, при этом в первых реализациях все еще использовалось аналоговое формирование луча с аналогичной внутренней обработкой. Модуль T/R состоит из полупроводникового HPA для передачи, малошумящего усилителя (LNA) для приема и циркулятора или переключателя для управления направлением радиочастотной энергии (передача или прием) от антенны.

В настоящее время происходит переход к фазовым решеткам с цифровым формированием луча. Гибридные архитектуры, состоящие из аналоговых подматриц с формированием диаграммы направленности, а затем приемников и АЦП за каждой подматрицей, позволяют цифровому формированию диаграммы направленности формировать множество лучей в пределах диаграммы направленности подрешетки. Каждый элемент цифровой фазированной решетки включает в себя приемники и генераторы сигналов, стоящие за каждым элементом. Фазовая решетка с цифровой диаграммой направленности, состоящая из каждого элемента, позволяет создавать действительно программно определяемые диаграммы направленности антенны. Многие лучи могут формироваться одновременно во многих различных направлениях, а диаграммы направленности антенны можно адаптивно контролировать, включая нулевые значения. Благодаря программируемости на уровне системы цифровые фазированные решетки для каждого элемента стали целью многих архитекторов антенн.