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為了提高無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)的性能，對(duì)天線架構(gòu)的需求在不斷增長(zhǎng)。相比于傳統(tǒng)的機(jī)械控制拋物面天線，在新型應(yīng)用中需要功耗更小，剖面更低的天線。除了這些需求之外，還需要快速重新定位到新的威脅或用戶，傳輸多個(gè)通道，并且有更長(zhǎng)的使用期限。 基于陣列的相控天線設(shè)計(jì)正在席卷整個(gè)行業(yè)，使得這些挑戰(zhàn)得以實(shí)現(xiàn)。先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)正在解決相控陣天線過去的缺點(diǎn)，最終在尺寸、重量和功率方面有所降低。 本文將簡(jiǎn)要介紹現(xiàn)有的天線解決方案以及電控天線具有的優(yōu)勢(shì)。然后，將介紹半導(dǎo)體技術(shù)如何幫助實(shí)現(xiàn)改進(jìn)電控天線的SWaP-C的目標(biāo)，接下來是以ADI技術(shù)的實(shí)例來介紹。 引言  無線電子系統(tǒng)依賴于天線發(fā)送和接收信號(hào)已經(jīng)運(yùn)行100多年了。隨著對(duì)精度、效率和更高級(jí)指標(biāo)的需求變得越來越重要，這些電子系統(tǒng)繼續(xù)在改進(jìn)和完善。 拋物面天線已被廣泛用于發(fā)射(Tx)和接收(Rx)信號(hào)，其中方向性至關(guān)重要，并且這些系統(tǒng)在經(jīng)過多年優(yōu)化后能以相對(duì)低的成本良好運(yùn)行。這些拋物面天線擁有一個(gè)用于旋轉(zhuǎn)輻射方向的機(jī)械臂，它們確實(shí)存在一些缺點(diǎn)，包括轉(zhuǎn)向慢、體積大、長(zhǎng)期可靠性差，以及僅具有一個(gè)符合要求的輻射方向圖。 因此，工程師們已轉(zhuǎn)向先進(jìn)的相控陣天線技術(shù)來改進(jìn)這些特征并增加新的功能。相控陣天線采用電動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)制，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向天線具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如：低剖面/體積小，更高的長(zhǎng)期可靠性，快速轉(zhuǎn)向和多波束等。憑借這些優(yōu)勢(shì)，相控陣天線已經(jīng)在軍事、衛(wèi)星通信、車聯(lián)網(wǎng)、5G通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 相控陣技術(shù) 相控陣天線是組裝在一起的天線陣元的集合，其中，每個(gè)單元的輻射圖在結(jié)構(gòu)上與相鄰天線的輻射圖合成形成稱為主瓣的有效輻射圖。主瓣在期望的方向輻射能量，而天線設(shè)計(jì)的目的是在不需要的方向上形成零點(diǎn)和旁瓣。 天線陣列設(shè)計(jì)用于最大化主瓣輻射的能量，同時(shí)將旁瓣輻射的能量降低到可接受的水平?？梢酝ㄟ^改變饋入到每個(gè)天線單元的信號(hào)的相位來控制輻射方向。圖1顯示了如何調(diào)整每個(gè)天線中信號(hào)的相位，將有效波束控制在線性陣列目標(biāo)方向上。結(jié)果是陣列中的每個(gè)天線具有獨(dú)立的相位和幅度設(shè)置以形成期望的輻射方向圖。  由于沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，所以很容易理解相控陣中波束快速轉(zhuǎn)向的屬性?；贗C的半導(dǎo)體相位調(diào)整可以在幾納秒內(nèi)完成，這樣我們就可以改變輻射圖的方向，針對(duì)新的威脅或用戶快速做出響應(yīng)。 類似地，我們可以從輻射波束變?yōu)橛行Я泓c(diǎn)以吸收干擾物的信號(hào)，使該物體看起來不可見。重新定位輻射方向圖或改變?yōu)橛行Я泓c(diǎn)，這些變化幾乎可以立即完成，因?yàn)槲覀兛梢允褂没贗C的器件而非機(jī)械部件，以電氣方式改變相位設(shè)置。相 控陣天線相比機(jī)械天線的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它能同時(shí)輻射多個(gè)波束，因而可以跟蹤多個(gè)目標(biāo)或管理多個(gè)通道的用戶數(shù)據(jù)。這是通過在基帶頻率下對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理來實(shí)現(xiàn)的。 陣列設(shè)計(jì)實(shí)例 下面陣列的實(shí)現(xiàn)方式使用以等間隔行列配置的貼片天線元件，采用4×4式設(shè)計(jì)，總共有16個(gè)陣元。圖2所示為一個(gè)小型4×4陣列，其中，貼片天線為輻射器。在地面雷達(dá)系統(tǒng)中，這種天線陣列可以變得非常大，可能有超過100,000個(gè)陣元。  圖2 4×4單元陣列的輻射方向圖展示 在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮陣列大小與每個(gè)輻射元件的功率之間的權(quán)衡關(guān)系，這些會(huì)影響波束的方向性和有效輻射功率，可以通過考察一些常見的參數(shù)來預(yù)測(cè)天線的性能。 天線設(shè)計(jì)人員會(huì)考察天線增益、有效各向輻射功率(EIRP)及Gt/Tn。有一些基礎(chǔ)等式可用于描述以下等式中所示的這些參數(shù)。我們可以看到，天線增益和EIRP與陣列中元件的數(shù)量成正比。 其中， N：?jiǎn)卧獢?shù)量 Ge：?jiǎn)卧炀€增益 Gt：天線陣增益 Pt：總的發(fā)射功率 Pe：?jiǎn)卧炀€功率 Tn：噪聲溫度 相控陣天線設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵方面是天線陣元的間隔。一旦我們通過設(shè)定陣元數(shù)量確定了系統(tǒng)目標(biāo)，物理陣列直徑很大程度上取決于每個(gè)單元構(gòu)件的大小限制，其要小于大約二分之一波長(zhǎng)，因?yàn)檫@樣可以防止柵瓣。柵瓣相當(dāng)于在無用方向上輻射的能量。 這對(duì)用于陣列的電子器件提出了嚴(yán)格的要求，必須做到體積小、功率低、重量輕。半波長(zhǎng)間隔在較高頻率下對(duì)設(shè)計(jì)特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槠渲忻總€(gè)單元構(gòu)件的長(zhǎng)度會(huì)變小。這推高了更高頻率IC的集成度，促使封裝解決方案變得更加先進(jìn)，并且使困難不斷增加的散熱管理技術(shù)得到了簡(jiǎn)化。 |
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