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集成化芯片在相控阵beam-forming中的应用

今世通信领域中,beam-forming技巧有着异常广泛的利用。在5G通信、相控阵雷达、卫星通信等方面也越来越受到工程师们的注重。

波束成形(beamforming or spatial filtering)是传感器阵列顶用于定向旌旗灯号传输或接管的旌旗灯号处置惩罚技巧。这是经由过程将天线阵列中的元件以特定角度的旌旗灯号经历相长过问而其他经历相消过问来实现的。波束成形在发送端和接管端都可以应用,以实现空间选择性。工程师使用波束成形技巧已经有相称久的历史,比如应用波束来补偿信道衰减的卫星通讯。卫星和地面接管天线的间隔异常远,信道衰减异常大年夜,于是卫星旌旗灯号到达地面时能量已经异常小,以致比热噪声还要低。是以,我们必要久有存心前进接管卫星旌旗灯号能量。当卫星的旌旗灯号向空间全偏向辐射时,绝大年夜多半能量并没有被地面天线接管到,而是被挥霍了。为避免这种挥霍,我们在接管和发射卫星旌旗灯号时都邑应用波束成形。这样,发射的电磁波旌旗灯号都集中在一个偏向上,只要接管天线能对准这个偏向,就可以大年夜大年夜前进接管的卫星旌旗灯号能量。

相控阵天线的beamforming技巧(如图1描述),我们可以线性或二维地对N个天线阵列进行波束赋形设置设置设备摆设摆设,并以电子的要领,智能地节制阵列中每个零丁天线的幅度和相位勉励,以孕育发生指向所需偏向的波束。在物理布局固定不变的环境下,相控阵天线能够快速无惯性的进行波束成形和波束扫描。

图1

针对卫星通信领域的相控阵系统,技巧型授权分销商Excelpoint世健公司的工程师Rain Cai向我们先容了一款世健代理的ADI公司的相控阵beam-forming集成化芯片,可以为广大年夜卫星通信客户供给新一代的系统化办理规划(如图2)。该系统规划包孕天线前真个多通道幅相节制集成套片ADAR1000、上线变频混频器LTC5548/LTC5549、本振PLLVCO集成芯片ADF5356/ADF5610、低频2T/2R 收发集成套片ADRV9009。比拟传统的超外差要领,节省数十颗芯片就能完成对全部收发系统的研发设计,大年夜大年夜缩小了全部通信系统的体积和功耗。

图2

下面,Rain重点先容相控阵前真个有源天线幅相节制规划ADAR1000。ADAR1000是一款适用于相控阵的 4 通道 X 和 Ku 频段波束形成芯片。该器件在接管和发射模式之间以半双工状态事情。在接管模式下,输入旌旗灯号经由过程四个接管通道后在公共 RF_IO 引脚上组合在一路。在发射模式下,RF_IO 输入旌旗灯号拆分后经由过程四个发射通道。在这两种模式下,ADAR1000 在射频 (RF) 路径中都供给 ≥31 dB 的增益调剂范围和完备 360° 相位调剂范围,分辨率优于 6 位(分手低于 ≤0.5 dB 和 2.8°)。并且支持存储最多126个波束的各通道增益相位信息,支持相控阵雷达和通信系统的设计职员使用电调扫描的要领来取代原本宏大年夜的机器转向天线平台。ADAR1000每一起通道都集成有低噪放(或功率放大年夜器)、移相器、可变增益放大年夜器。4通道ADAR1000有源天线波束成形芯片可取代天线相位增益调节和数字节制所需的12个分立元件,显明的简化了监控、卫星通信所用的相控阵雷达系统尺寸、重量及功耗。尤其是应用ADAR1000在平面阵列中,使得装置于不合平台的平面阵雷达具有极强的竞争力。

ADAR1000道理框图如下图3所示。除核心的4T/4R幅度相控节制以外,ADAR1000集成套片还包孕温度检测、功率检测功能,并且为可能必要外挂的大年夜功率功放管以及LNA供给bias供电电压,这将进一步削减工程师在PCB设计时的电源节制难度以及PCB尺寸。

图3

着末,Rain先容了一个详细案例:世健公司的某终极用户盼望减小30%相控阵天线总体重量,针对这一需求,世健向其保举了ADAR1000集成芯片,成功办理了设计难题。应用4通道的ADAR1000调换掉落原有的分立元器件规划,将系统尺寸和重量减小30%以上。使得整套卫星系统能够更为便捷的搭载船舶、飞机等大年夜型交通运输对象。下图(4)为该客户实测ADAR1000的VSWR、phase error、Gain随频率变更曲线:

图4

测试结果可以看出,只管ADAR1000在7X7mm的封装尺寸内对曩昔的12颗分立元件进行集成和替代,但机能并没有跟着高集成度而低落。客户对整体机能和资源都异常知足。并提出未来8通道、16通道的集成化芯片预期。

ADAR1000在相控阵天线前真个beam-forming设计中有着异常卓越的机能,使得这一类型的集成化套片在大年夜型相控阵雷达以及卫星通信利用中成为主流规划。为此,可以预见到,在不久的未来,更多通道、更高频率以及带宽的多功能集成套片将会推向市场,多个单元的天线阵列尺寸、功耗将进一步减小。

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