數位波束成型相位陣列射頻電子元件的物理尺寸配置

作者: Analog Devices, Inc. 技術主管Peter Delos

簡介

將相位陣列雷達與主動電子掃瞄陣列(AESA)運用與部署在航太與國防市場已足足十年有餘,這段期間,已經從最開始採用類比波束成型系統持續轉移至更高等級的數位波束成型。系統工程的目標也持續要求近距元素式(near elemental)數位波束成型設計,以達到最大的彈性與可程式化能力。然而要轉移至近距元素式數位波束成型必須克服許多挑戰,包括從校正、數位控制、時脈分佈、本地振盪(LO)、功率、處理資料量、一直到電子元件的物理尺寸限制。射頻IC在無線通訊產業的多層面進展持續造就出更高整合度的RF設計,如今實際建置在數位波束成型陣列的每個元素已成為檯面上的事實。

在本文中,我們專注探討電子元件物理尺寸方面的要求。各界除了已廣泛研究物理尺吋要求和操作頻率之間呈函數關係之外,在實務面上也審視過各種建置方法。

天線元素間距與頻率

首先,我們要考量天線元素間距和頻率呈函數關係。為避免光柵波瓣(grating lobes),元素的間距應小於λ/2,這裡的λ是運行頻率的波長。

極化分集也逐漸成為各界追逐的系統目標,這項特色讓我們能設定各種天線極化,其中包括水平、垂直、或是左旋與右旋圓偏振。用來達成這項特色的天線元素,是兩個埠(port)的幅射元素,每個埠隨著正交極化(orthogonal polarizations)向外幅射。藉由控制每個埠的相對相位與振幅,就能構成可變極化。儘管這種系統有顯著的利益,但這項特色卻需要加倍的天線埠,從而使支援的電子元件趨於複雜。

Equation 1

圖1顯示元素間距與頻率的關係,假設建置λ/2天線元素間距。圖中描述這些物理尺吋的限制,評估天線背後的RF子系統即可判斷出滿足電子通道間距與頻率所需的建置模式。

Figure 1
圖1. 元素間距與頻率.

 

表1. 選用頻率的λ/2 間距
頻率 元素間距 雙極I/O 間距
3 GHz 50 毫米,2英吋 25 毫米,1英吋
10 GHz 15 毫米,600 密耳 7.5 毫米, 300 密耳
30 GHz 5 毫米,200 密耳 2.5 毫米,100 密耳

波長產生器與接收器通道間距

圖2 顯示一塊Analog Devices收發器產品的評估板,板中含有兩個收發器。每個收發器含有兩個傳送與接收通道(如圖3所示),並建置4個完整的波長產生器與接收器。此外,板中還含有一顆時脈IC與多項其他I/O功能,用來評估各種零件。

 

圖2. 收發器通道間距

 

圖3. 收發器產品線包括雙波長產生器與接收器

 

雖然這款評估板目的不是要達到最高的整合度,但仍能從中觀察波長產生器與接收器部分的實際尺寸限制。另外我們可迅速看出收發器產品線能支援涵蓋到C頻帶的每個元素數位天線間距,若再額外進行一些改造,也能符合X頻帶元素間距的要求。

接著圖4顯示一個對應RF上行/下行轉換器的物理尺寸。這款特殊機板目的是作為雙接收器機板的測試板卡,以及用來衡量這個RF子系統的實際物理尺吋限制。這款板卡建置各種標準低成本方法,使用的全都是市售的商規零件,它也顯示了這類建置能支援每種元素數位天線,最高則可涵蓋至C頻段。若是要轉移至X頻段,每個數位元素則能夠支援透過SiP(系統晶片構裝)進一步整合。

 

圖4. X-/ku頻帶RF 上行/下行轉換器.

 

這兩款板卡反映出低成本商規建置能支援數位波束成型相位陣列的每個元素,並能涵蓋到C頻段的頻率。藉由進一步的整合,或是替代波束成型IC,可用來減少波形產生器的數量,以及減少相比元素數量的接收通道,如此即可將每個元素建置在X頻段以上的波段。4:1 比例的X-/Ku頻帶波束成型,目前已有商規產品問市,我們可在這些頻率上以低廉成本打造數位波束成型相位陣列。

Ka頻帶元素間距

接下來考量Ka頻段的天線間距,如圖5所示。在30 GHz頻率上,λ/2 間距為5 毫米,這對電子元件而言頗具挑戰性。在實務上,一個4:1類比式波束成型元件能以這個間距直接置於天線元素的對面側。挑戰在於物理尺吋的限制讓業者沒有太多機會加入額外元件。業界必須在波束成型產品封裝內置入LNA或PA放大器以及多種被動元件,例如解耦電容,都必須埋入印刷電路板內。

 

圖5. Ka頻段物理尺寸規格

 

幸運的是,Ka頻段衛星系統的設計,好處是大多數系統都會把傳送與接收功能分置於不同天線。這讓業者有機會針對特定任務設計出最佳化的純傳送或純接收功能的波束成型IC。

總結

產業通訊產業射頻IC的持續進步,促成業界發展出眾多數位波束成型相位陣列技術。目前業界已能運用標準PWB印刷電路板技術設計每種元素數位波束成型相位陣列,最高覆蓋到C頻段的頻率。在較高頻率的X頻段,每個元素的數位建置都是確實可行,但還需要額外的設計投入,以執行進一步的整合。另一方面,4:1比例的類比波束成型可用來為電子元件提供額外的間距,以及支援各種標準PWB的建置方法。但在Ka頻段的物理尺寸限制方面卻成為難題。然而藉由在波束成型器的封裝內整合前端電子元件,如今已經都能實作出子陣列式(subarrayed)天線架構或全類比式波束成型系統。

參考資料

Delos, Peter. "Digital Beamforming Techniques for Phased Arrays." Analog Devices, Inc., 2017.

Mailloux, Robert. "Phased Array Antenna Handbook," second edition. Artrech House, 2005.

O'Donnell, Robert. "Radar Systems Engineering." AESS, 2013.


作者

Peter Delos

Peter Delos

Peter Delos Peter Delos is a Technical Lead in the Aerospace and Defense Group at Analog Devices in Greensboro, NC. He received his BSEE from Virginia Tech in 1990 and MSEE from NJIT in 2004. Peter has over 25 years of industry experience. Most of his career has been spent designing advanced RF/Analog systems at the architecture level, PWB level, and IC level. He is currently focused on miniaturizing high performance Receiver, Waveform Generator, and Synthesizer designs for Phased Array applications.