fpga串口控制led_相控阵beam-forming集成化芯片的介绍

波束形成技术广泛应用于现代通信领域。工程师越来越重视5G通信、相控阵雷达、卫星通信。

波束形成或空间滤波是一种用于传感器阵列中定向信号发射或接收的信号处理技术。这是通过使特定角度的天线阵列中的单元的信号受到相长干涉而其它的受到相消干涉来实现的。可以在发射机和接收机处使用波束成形来实现空间选择性。工程师们使用波束形成技术已经有相当长的时间了，例如卫星通信，它使用波束来补偿信道衰减。卫星与地面接收天线的距离很远，信道衰减很大，所以卫星信号到达地面时，能量很小，甚至低于热噪声。因此，我们需要想办法提高接收卫星信号的能量。当卫星信号在空间向四面八方辐射时，大部分能量没有被地面天线接收到，而是被浪费掉了。为了避免这种浪费，我们在接收和发射卫星信号时会使用波束形成。这样发射的电磁波信号都集中在一个方向，只要接收天线能对准这个方向，接收到的卫星信号的能量就能大大提高。

相控阵天线的波束形成技术(如图1所示)，我们可以线性或二维配置N个天线阵列，通过电子方式智能控制阵列中每个单个天线的幅度和相位激励，产生指向所需方向的波束。在物理结构固定的情况下，相控阵天线可以无惯性地快速进行波束形成和波束扫描。

图1

针对卫星通信领域的相控阵系统，技术授权经销商Excelpoint公司工程师Rain Cai介绍了以为代表的ADI公司相控阵波束形成集成芯片，可为广大卫星通信客户提供新一代系统化解决方案(如图2所示)。系统方案包括天线前端的多路幅度和相位控制集成套筒ADAR1000、在线变频混频器LTC5548/LTC5549、本振PLLVCO集成芯片ADF5356/ADF5610、低频2T/2R收发一体套筒ADRV9009。与传统的超外差法相比，整个收发系统的R&D设计可以通过节省几十个芯片来完成，大大降低了整个通信系统的体积和功耗。

图2

接下来，Rain重点介绍ADAR1000，这是一种位于相控阵前端的有源天线幅度和相位控制方案。ADAR1000是一款适用于相控阵的4通道X波段和Ku波段波束形成芯片。该器件在半双工模式下工作，介于接收和发送模式之间。在接收模式下，输入信号经过四个接收通道后，在公共RF_IO引脚上合并。在发射模式下，RF_IO输入信号被分离并通过四个发射通道传输。在这两种模式下，ADAR1000在RF路径中提供31 dB的增益调整范围和360的完整相位调整范围，分辨率优于6位(分别低于0.5 dB和2.8)。它还支持存储多达126个波束的每个通道的增益相位信息，并支持相控阵雷达和通信系统的设计人员通过电子扫描取代原来巨大的机械转向天线平台。ADAR1000的每个通道都集成了低噪声放大器(或功率放大器)、移相器和可变增益放大器。4通道ADAR1000有源天线波束形成芯片可以取代天线相位增益调整和数字控制所需的12个分立元件，从而显著简化用于监控和卫星通信的相控阵雷达系统的尺寸、重量和功耗。尤其是ADAR1000在平面阵列中的使用，使得装配在不同平台上的平面阵列雷达极具竞争力。

ADAR1000的原理框图如下图3所示。除了核心的4T/4R幅度相位控制，ADAR1000集成套筒还包括温度检测和功率检测功能，并为可能需要外接插件的大功率功放管和LNA提供偏置电源电压，这将进一步降低工程师在PCB设计中的功率控制和PCB尺寸的难度。

图3

最后，Rain介绍了一个具体案例：石坚公司的一个终端用户希望将相控阵天线的整体重量减轻30%。针对这一需求，石坚向他推荐了ADAR1000集成芯片，成功解决了设计难题。4通道ADAR1000取代了原有的分立元件方案，使系统的尺寸和重量降低了30%以上。这使得整个卫星系统更便于搭载船舶、飞机等大型交通工具。下图(4)显示了该客户测量的VSWR、相位误差和增益随频率的变化曲线：

图4

从测试结果可以看出，虽然ADAR1000在7X7mm的封装尺寸内集成并替代了之前的12个分立元件，但其性能并没有随着高集成度而下降。客户对整体性能和成本非常满意。提出了对未来8通道和16通道集成芯片的展望。

ADAR1000在相控阵天线前端的波束形成设计中表现优异，使得这种类型的集成套管成为大型相控阵雷达和卫星通信应用中的主流方案。因此，可以预见，在不久的将来，更多信道、更高频率和带宽的多功能一体化套管将投放市场，多个单元的天线阵尺寸和功耗将进一步降低。