半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了相控陣天線在整個(gè)行業(yè)的普及。早在幾年前，軍事應(yīng)用中已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)從機(jī)械轉(zhuǎn)向天線到有源電子掃描天線(AESA)的轉(zhuǎn)變，但直到最近，才在衛(wèi)星通信和5G通信中取得快速發(fā)展。小型AESA具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包括能夠快速轉(zhuǎn)向、生成多種輻射模式、具備更高的可靠性；但是，在IC技術(shù)取得重大進(jìn)展之前，這些天線都無(wú)法廣泛使用。平面相控陣需要采用高度集成、低功耗、高效率的設(shè)備，以便用戶(hù)將這些組件安裝在天線陣列之后，同時(shí)將發(fā)熱保持在可接受的水平。

相控陣技術(shù)

在行業(yè)向體積和重量更小的小型陣列轉(zhuǎn)變期間，IC起到了重大的推動(dòng)作用。傳統(tǒng)的電路板結(jié)構(gòu)基本使用小型PCB板，其上的電子元件垂直饋入天線PCB的背面。在過(guò)去的20年中，這種方法不斷改進(jìn)，以持續(xù)減小電路板的尺寸，從而減小天線的深度。下一代設(shè)計(jì)從這種板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向平板式方法，平板設(shè)計(jì)大大減小了天線的深度，使它們能更容易地裝入便攜應(yīng)用或機(jī)載應(yīng)用當(dāng)中。要實(shí)現(xiàn)更小的尺寸，需要每個(gè)IC足夠程度的集成，以便將它們裝入天線背面。

半導(dǎo)體技術(shù)和封裝

相控陣天線技術(shù)近年來(lái)的普及離不開(kāi)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)。SiGe BiCMOS、絕緣體上硅(SOI)和體CMOS中的高級(jí)節(jié)點(diǎn)將數(shù)字和RF電路合并到一起。這些IC可以執(zhí)行陣列中的數(shù)字任務(wù)，以及控制RF信號(hào)路徑，以實(shí)現(xiàn)所需的相位和幅度調(diào)整。如今，我們已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)多通道波束成型IC，此類(lèi)IC可在4通道配置中調(diào)整增益和相位，最多可支持32個(gè)通道，可用于毫米波設(shè)計(jì)。在一些低功耗示例中，基于硅的IC有可能為上述所有功能提供單芯片解決方案。在高功率應(yīng)用中，基于氮化鎵的功率放大器顯著提高了功率密度，可以安裝到相控陣天線的單元構(gòu)件中。這些放大器傳統(tǒng)上一般使用基于行波管(TWT)的技術(shù)或基于相對(duì)低功耗的GaAs的IC。

在機(jī)載應(yīng)用中，我們看到了平板架構(gòu)日益盛行的趨勢(shì)，因?yàn)槠渫瑫r(shí)具有GaN技術(shù)的功率附加效率(PAE)優(yōu)勢(shì)。GaN還使大型地基雷達(dá)能夠從由TWT驅(qū)動(dòng)的碟形天線轉(zhuǎn)向由固態(tài)GaN IC驅(qū)動(dòng)、基于相控陣的天線技術(shù)。我們目前能使用單芯片GaN IC，這類(lèi)IC能提供超過(guò)100 W的功率，PAE超過(guò)50％。將這種效率水平與雷達(dá)應(yīng)用的低占空比相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)表貼解決方案，以散除外殼基座中產(chǎn)生的熱量。這些表貼式功率放大器大大減小了天線陣列的尺寸、重量和成本。在GaN的純功率能力以外，與現(xiàn)有GaAs IC解決方案相比的額外好處是尺寸減小了。舉例來(lái)說(shuō)，相比基于GaAs的放大器，X波段上6 W至8 W的基于GaN的功率放大器占位面積可減少50％或以上。在將這些電子器件裝配到相控陣天線的單元構(gòu)件中時(shí)，這種占位面積的減小有著顯著的意義。

封裝技術(shù)的發(fā)展也大大降低了平面天線架構(gòu)的成本。高可靠性設(shè)計(jì)可能使用鍍金氣密外殼，芯片和線纜在其內(nèi)部互連。這些外殼在極端環(huán)境下更堅(jiān)固，但體積大，且成本高昂。多芯片模塊(MCM)將多個(gè)MMIC器件和無(wú)源器件集成到成本相對(duì)較低的表貼封裝中。MCM仍然允許混合使用半導(dǎo)體技術(shù)，以便最大化每個(gè)器件的性能，同時(shí)大幅節(jié)省空間。例如，前端IC中可能包含PA、LNA和T/R開(kāi)關(guān)。封裝基座中的熱通孔或固體銅廢料被用于散熱。為了節(jié)省成本，許多商業(yè)、軍事和航空航天應(yīng)用都開(kāi)始使用成本更低的表貼封裝選項(xiàng)。

相控陣波束成型IC

集成式模擬波束成型IC一般被稱(chēng)為核心芯片，旨在為包括雷達(dá)、衛(wèi)星通信和5G通信在內(nèi)的廣泛應(yīng)用提供支持。這些芯片的主要功能是準(zhǔn)確設(shè)置每個(gè)通道的相對(duì)增益和相位，以在天線主波束所需的方向增加信號(hào)。該波束成型IC專(zhuān)為模擬相控陣應(yīng)用或混合陣列架構(gòu)而開(kāi)發(fā)，混合陣列架構(gòu)將一些數(shù)字波束成型技術(shù)與模擬波束成型技術(shù)結(jié)合起來(lái)。

ADAR1000 X-/Ku波段波束成型IC是一款4通道器件，覆蓋頻段為8 GHz至16 GHz，采用時(shí)分雙工(TDD)模式，其發(fā)射器和接收器集成在一個(gè)IC當(dāng)中。在接收模式下，輸入信號(hào)通過(guò)四個(gè)接收通道并組合在通用RF_IO引腳中。在發(fā)射模式下，RF_IO輸入信號(hào)被分解并通過(guò)四個(gè)發(fā)射通道。

簡(jiǎn)單的4線式串行端口接口(SPI)可以控制所有片內(nèi)寄存器。兩個(gè)地址引腳可對(duì)同一串行線纜上的最多四個(gè)器件進(jìn)行SPI控制。專(zhuān)用發(fā)射和接收引腳可同步同一陣列中的所有內(nèi)核芯片，且單引腳可控制發(fā)射和接收模式之間的快速切換。這款4通道IC采用7 mm×7 mm QFN表貼封裝，可輕松集成到平板陣列當(dāng)中。高度集成，再加上小型封裝，可以解決通道數(shù)量較多的相控陣架構(gòu)中一些尺寸、重量和功率挑戰(zhàn)。此器件在發(fā)射模式下功耗僅為240 mW/通道，在接收模式下功耗僅為160 mW/通道。

發(fā)射和接收通道直接可用，在外部設(shè)計(jì)上可以與前端IC配合使用。具有全360°相位覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)小于2.8°的相位步長(zhǎng)和優(yōu)于30 dB的增益調(diào)整。ADAR1000集成片上存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)多達(dá)121個(gè)波束狀態(tài)，其中一個(gè)狀態(tài)包含整個(gè)IC的所有相位和增益設(shè)置。發(fā)射器提供大約19 dB的增益和15 dBm的飽和功率，其中接收增益約為14 dB。另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是增益設(shè)置內(nèi)的相位變化，在20 dB范圍內(nèi)約為3°。同樣，在整個(gè)360°相位覆蓋范圍內(nèi)，相位的增益變化約為0.25 dB，緩解了校準(zhǔn)難題。