Die Ingenieurin

May 20, 2023

Peter Delos

Leiter der Designabteilung, Analog Devices

Einführung

Wir erleben einen historischen Moment für Hochfrequenzelektronik (RF) in Phased-Array-Anwendungen. Die rasanten Fortschritte in der Mobilfunkbranche haben die Integration und Miniaturisierung der HF-Elektronik vorangetrieben. Viele Anwendungen profitieren mittlerweile von diesen Errungenschaften. Die Integration großer Abschnitte der Signalkette in vollständige integrierte Schaltkreise (ICs) hat insbesondere Phased-Array-Antennen ermöglicht. Neue Systeme mit analogen oder digitalen Beamforming-Implementierungen nehmen zu, angetrieben durch die jüngsten IC-Releases in den breiten Märkten.

Bei Analog Devices erhalten wir regelmäßig Anfragen und Interviewanfragen von Kunden und Verlagen. Das komplette Portfolio, das eine Antenne-zu-Bit-Lösung bietet, die von HF- über Hochgeschwindigkeitskonverter, Transceiver, PLLs und Stromversorgung bis hin zu fortschrittlicher Integration reicht, hat eine Fachkompetenz in der Systemarchitektur geschaffen. Es besteht großes Interesse an unseren Entwicklungen, die die gesamte HF-Signalkette abdecken und die Phased Arrays der Zukunft ermöglichen werden.

Dieser Artikel fasst einige der Routineanfragen, die in verschiedenen Formen im Internet verstreut sind, in einer umfassenderen Diskussion zusammen. Wir beginnen mit einer kurzen Geschichte der Phased-Array-Entwicklung, diskutieren Architekturtrends und Herausforderungen, bieten Einblicke in unsere Sicht auf aktuelle Entwicklungen und bieten Links zu Artikeln und Webcasts, die detailliertere Informationen zu verschiedenen Themen bieten.

Beginnen wir mit der Entwicklung von Phased Arrays. Wie sind wir hierher gekommen?

Ein Großteil der frühen Phased-Array-Arbeiten wurde für Radaranwendungen entwickelt. Daher liefert die Betrachtung der Entwicklung der Radarantennenimplementierungen gute Einblicke in die Konzeption moderner digitaler Strahlformungsantennen. Aus der Not heraus wurde die Radarentwicklung während und nach dem Zweiten Weltkrieg erheblich beschleunigt. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde der Großteil der heute für die Wellenform- und Radarverarbeitung verwendeten Mathematik in verschiedenen staatlichen Labors und Organisationen erarbeitet.

Eine wichtige Radarverarbeitungstechnik ist die Pulskompression. Die Impulskomprimierung wird durch Wellenformoptionen wie lineare Frequenzmodulationen (LFMs) und Phasencodes ermöglicht, bei denen der Impuls am Ausgang des angepassten Filters viel kürzer ist als der übertragene Impuls. Das Ausmaß der Impulskomprimierung steht in direktem Zusammenhang mit der Signalbandbreite. Dies alles wurde in den 1960er Jahren dokumentiert und verstanden. Manche sagen, dass Radar mit Pulskompression geboren wurde. Nachdem die Mathematik verstanden war, wurden die erweiterten Implementierungsentwicklungen fortgesetzt und führten schließlich zum modernen Phased-Array.

Die ersten Implementierungen hatten rotierende Antennenschüsseln mit hoher HF-Leistung, die in Röhrenverstärkern erzeugt wurden. Anschließend wurden rotierende Antennen durch die ersten Phased-Array-Antennen ersetzt, die für Radargeräte mit sehr hoher Leistung verwendet wurden. Die Röhren-Hochleistungsverstärker (HPAs) blieben bestehen und der Sendesignalfluss war: Röhren-HPAs → Wellenleiterverteilung → Phasenschieber → Strahlungselemente. Das Beamforming war ein völlig analoges System. Beim Empfang konnten mehrere Strahlmuster erstellt werden, der Prozess war jedoch komplex und teuer, sodass er normalerweise auf wenige Strahlen beschränkt war. Auf diese Weise könnten Antennensysteme für Monopulsradare realisiert werden. Der erste Schritt hin zu Festkörper-Phased-Arrays war die Einführung von Sende-/Empfangsmodulen (T/R), die an jedem Element verteilt waren, wobei erste Implementierungen noch analoge Strahlformung mit ähnlicher Backend-Verarbeitung verwendeten. Das T/R-Modul besteht aus einem Festkörper-HPA zum Senden, einem rauscharmen Verstärker (LNA) zum Empfangen und entweder einem Zirkulator oder Schalter zur Steuerung der Richtung der HF-Energie (Senden oder Empfangen) von der Antenne.

Der derzeit stattfindende Übergang ist die Migration hin zu Phased-Arrays mit digitaler Strahlformung. Hybridarchitekturen, bestehend aus analogen strahlgeformten Subarrays, dann Empfängern und ADCs hinter jedem Subarray, ermöglichen die digitale Strahlformung, um viele Strahlen innerhalb des Subarray-Musters zu bilden. Digitale Every-Element-Phased-Arrays umfassen Empfänger und Wellenformgeneratoren hinter jedem Element. Das aus allen Elementen bestehende digitale strahlgeformte Phased-Array ist die Voraussetzung für wirklich softwaredefinierte Antennenmuster. Viele Strahlen können gleichzeitig in viele verschiedene Richtungen geformt werden und die Antennenmuster können adaptiv gesteuert werden, einschließlich Nullen. Aufgrund der Programmierbarkeit auf Systemebene sind digitale Phased-Arrays mit allen Elementen zum Ziel vieler Antennenarchitekten geworden.

Können Sie den Unterschied zwischen analogem und digitalem Beamforming näher erläutern?

Dies lässt sich vielleicht am besten anhand einer Abbildung wie Abbildung 2 verstehen. Bei der analogen Strahlformung gibt es hinter jedem Element, typischerweise nach einem Sende-/Empfangsmodul, einen Phasenschieber und eine Verstärkungsregelung im HF-Bereich. Die Strahlrichtung wird durch die Steuerung der HF-Phase jedes Elements vor dem Kombinieren gebildet. Eine Amplitudenverjüngung kann angewendet werden, um die Nebenkeulenpegel der Antenne zu verbessern. Bei der digitalen Strahlformung wird ein ähnlicher Prozess durchgeführt, außer dass alles digital ist. Es gibt komplette Empfänger mit ADCs für jedes Element, die Strahlformung erfolgt im digitalen Bereich, Phasenverschiebungen werden digital auf jeden Kanal angewendet und eine gewichtete Summe bildet das Antennenmuster. Da der Strahl digital geformt wird, können viele Antennenstrahlmuster gleichzeitig auf denselben ADC-Daten erstellt werden. Dies wird durch Duplizieren der digitalen Beamforming-Zeitverzögerungs- und Summierungsstrukturen erreicht. Es handelt sich um eine Form der Parallelverarbeitung, die mehrere Strahlen erzeugt, die unabhängig voneinander aus demselben ADC-Datenstrom programmierbar sind. Theoretisch könnte dies auf eine sehr große Anzahl von Strahlen ausgedehnt werden. In der Praxis wird die realisierbare Grenze typischerweise durch die digitale Verarbeitungsfähigkeit gesetzt. Um die Verarbeitung an praktische Datenraten zu binden, definieren einige Systeme ein Strahlbandbreitenprodukt. Diese Definition ermöglicht einen Kompromiss zwischen der Anzahl der Strahlen und der Bandbreite pro Strahl und behält gleichzeitig eine Beschränkung der für das System erforderlichen Datenraten bei.

Ein Vorteil der analogen Strahlformung ist die Einfachheit der Implementierung. Es gibt wenige Datenkonverter und damit einen sehr überschaubaren digitalen Entwicklungsaufwand. Die Herausforderung besteht darin, dass die analoge Strahlformungsstruktur für jeden Antennenstrahl wiederholt werden muss. Auch nach dem Beamforming gibt es Single Points of Failure. Für kostengünstige Systeme mit geringer Strahlanzahl ist jedoch die analoge Strahlformung eine gute Wahl und wird bei kostenbeschränkten Antennensystemen ein Hauptkandidat sein.

Die Vorteile der digitalen Strahlformung liegen in der Flexibilität für mehrere programmierbare Antennenstrahlen gleichzeitig in viele Richtungen. Leider sind die Herausforderungen erheblich, einschließlich der großen Menge digitaler Daten, der Synchronisierung und der physikalischen Größenbeschränkungen für die Elektronik, die hinter jedem strahlenden Element benötigt wird. Trotz der Herausforderungen kann es sich immer noch um eine kostengünstige Architektur handeln, wenn viele gleichzeitige Strahlen von einer einzigen Antenne benötigt werden.

Ein Kompromiss besteht darin, eine Mischung aus analogem und digitalem Beamforming zu verwenden. In diesem Fall werden Elemente im analogen Bereich zu Subarrays geformt, anschließend können Strahlen digital innerhalb des Subarray-Musters gebildet werden. Dies kann als Hybridarchitektur betrachtet werden und ist auch sehr beliebt, wenn digitales Beamforming gewünscht wird, ein vollständiges digitales Beamforming jedoch aufgrund der vielfältigen Herausforderungen oder Systemkostenbeschränkungen nicht praktikabel ist.

Können Sie einige Ihrer Arbeiten im Bereich RF-Frontends beschreiben?

Definieren wir zunächst das RF-Frontend. Dies besteht typischerweise aus dem T/R-Modul zusammen mit etwaiger analoger Strahlformung. In all diesen Bereichen entwickeln wir Produkte. HPAs und LNAs werden regelmäßig freigegeben, um die Marktanforderungen zu erfüllen. Es gibt auch verlustarme Hochleistungsschalter, die ein schnelles Front-End-Umschalten zwischen Senden und Empfangen ermöglichen. Diese können bei Bedarf für Kundenanwendungen als Komplettlösung in T/R-Module integriert werden.

Die Industrie arbeitet intensiv daran, die GaN-Technologie für HPAs und LNAs zu verbessern. Es gibt mehrere allgemein bekannte Hauptmotivatoren, wie z. B. die Möglichkeit einer höheren Leistungsdichte und höherer Durchbruchspannungen. Es gibt auch zusätzliche Motivatoren für Phased-Array-Anwendungen. Bei höheren Betriebsspannungen fließt weniger Strom in die Stromverteilung, was zu einer Verbesserung der Gesamtsystemeffizienz führt. Die höheren Durchbruchspannungen führen zu einer höheren Überlebensleistung für LNAs und können in einigen Fällen die Notwendigkeit von Front-End-Begrenzern überflüssig machen, die zu einem insgesamt niedrigeren Rauschmaß des Empfängers führen können, selbst wenn das GaN-LNA-Rauschmaß leicht über einem GaAs-LNA liegt.

Für analoge Beamformer haben wir den ADAR1000 herausgebracht. Dies ist ein analoger 4:1-Beamformer im X- und Ku-Band. Zusätzlich zu allen erforderlichen analogen Beamforming-Funktionen wurde eine einzigartige Funktion für HPA/LNA-Pulsen durch die Gate-Steuerung integriert. Ein schnelles Ein-/Ausschalten wurde durch die Steuerung des Tors und nicht des Abflusses nachgewiesen. Dieser Ansatz macht das Schalten hoher Ströme durch den Drain überflüssig. Wir haben Anwendungshinweise zu möglichen Schaltungstechniken für die Gate-Umschaltung und den Möglichkeiten des ADAR1000 veröffentlicht, die zur Vereinfachung der Steuerschaltungen rund um die T/R-Module beitragen sollen.

Welche Architekturen werden heute für Empfänger und Wellenformgeneratoren implementiert?

Die Empfänger- und Wellenformgeneratorarchitekturen können grob in drei Varianten eingeteilt werden: Heterodyn, Direktumwandlung und Direktabtastung. Abhängig von der Anwendung gibt es für jede Architekturauswahl Vor- und Nachteile. Wir betrachten sie alle je nach Zielsetzung als ihren Platz und entwickeln ICs, die alle Architekturen unterstützen, je nachdem, wie Menschen die Teile nutzen. Abbildung 3 veranschaulicht die verschiedenen Architekturen. Obwohl nur der Empfänger dargestellt ist, gelten die Topologien auch für die Signalketten des Wellenformgenerators.

Tabelle 1. Optionen für die Empfängerarchitektur

Der Superheterodyn-Ansatz, den es nun schon seit 100 Jahren gibt, hat sich bewährt und kann bei richtiger Frequenzplanung außergewöhnliche Leistungen erbringen. Leider ist es auch das komplizierteste. Es erfordert in der Regel die meiste Leistung, den größten physischen Platzbedarf im Verhältnis zur verfügbaren Bandbreite und eine Frequenzplanung, die bei großen Bruchteilsbandbreiten eine ziemliche Herausforderung darstellen kann. Es ist auch am wenigsten programmierbar, es sei denn, es ist zusätzliche Hardware enthalten, um zwischen verschiedenen Filter- und LO-Pfaden umzuschalten. Einer der neueren Trends besteht darin, dass moderne Hochgeschwindigkeitswandler und Transceiver die Möglichkeit bieten, bei höheren ZF-Frequenzen abzutasten. Die Verwendung dieser neuesten Versionen kann Frequenzpläne vereinfachen, Mischphasen eliminieren und die Komplexität der Companion-Agile-LO verringern.

Der Ansatz mit direkter Abtastung wird seit langem gesucht, stößt jedoch auf die Hindernisse, die Wandler mit Geschwindigkeiten zu betreiben, die der direkten HF-Abtastung entsprechen, und eine große Eingangsbandbreite zu erreichen. Heutzutage sind Hochgeschwindigkeitskonverter für die direkte Abtastung über das S-Band und höher verfügbar, von denen mehrere in den Referenzen aufgeführt sind. Die Abtastung mit GSPS-Raten mit analogen Eingangsbandbreiten über 6 GHz ist bei den neuesten Hochgeschwindigkeitswandlern neu. Die direkte Abtastung höherer Frequenzen wird weiterhin ein Trend sein, den man bei aufstrebenden Datenkonvertern beobachten sollte. Da FinFET-CMOS-Knoten der nächsten Generation die Betriebsgeschwindigkeiten der Transistoren weiter erhöhen und parasitäre Kapazitäten reduzieren, werden neue Familien von Datenkonvertern möglich, die das Potenzial haben, einen erheblichen Einfluss auf das zukünftige HF-Systemdesign zu haben.

Direktkonvertierungsarchitekturen bieten die effizienteste Nutzung der Datenkonverterbandbreite. Die Datenkonverter arbeiten im ersten Nyquist-Modus, wo die Leistung optimal ist und die Tiefpassfilterung einfacher ist. Die beiden Datenkonverter arbeiten zusammen, indem sie I/Q-Signale abtasten und so die Benutzerbandbreite ohne die Herausforderungen der Verschachtelung erhöhen. Die Hauptherausforderung, die die Direktwandlungsarchitektur seit Jahren plagt, besteht darin, das I/Q-Gleichgewicht für akzeptable Spiegelunterdrückung, LO-Leckage und DC-Offsets aufrechtzuerhalten. In den letzten Jahren konnten diese Herausforderungen durch die fortschrittliche Integration der gesamten Direktumwandlungssignalkette in Kombination mit digitalen Kalibrierungen überwunden werden. Unsere Transceiver-Produktlinie basiert auf Direktkonvertierungsarchitekturen. Wenn die Leistung stimmt, handelt es sich um die am höchsten integrierten und wirtschaftlichsten Lösungen, die es gibt.

Gibt es weitere Vorteile durch die Verteilung der Wellenformgeneratoren und -empfänger in einem digitalen Beamforming-Array?

Eines der systemtechnischen Ziele bei verteilter HF-Elektronik besteht darin, bei der Kombination von Kanälen eine Verbesserung des Dynamikbereichs zu erreichen. Wenn beim Kombinieren zweier HF-Signale die HF-Signale in Amplitude und Phase übereinstimmen und das Rauschen in jedem der Kanäle nicht korreliert ist, ergibt sich eine Kombinationsverstärkung von 10 logN, die zu einer Verbesserung des Dynamikbereichs führt. Wenn das Rauschen in den Kanälen korreliert ist, gibt es keine Verbesserung, wenn sie kombiniert werden. Daher besteht eine der systemtechnischen Bemühungen darin, korrelierte bzw. unkorrelierte Lärmverursacher zu verfolgen. Korreliertes Rauschen kann von allem stammen, was von allen Kanälen gemeinsam genutzt wird, einschließlich Takten, LOs, Strom usw.

Bei großen Arrays ist diese Verbesserung von erheblichem Wert. Beispielsweise können 100 Kanäle eine Verbesserung des Dynamikbereichs um 20 dB bieten, wenn alle Rauschkomponenten unkorreliert sind. Wir haben unsere eigenen Mehrkanal-HF-Prüfstände entwickelt, um sicherzustellen, dass diese Parameter sowohl für die Nutzung unserer Komponenten durch unsere Kunden als auch für unsere eigenen internen Designbemühungen verstanden werden.

Können Sie näher auf die physikalischen Größenherausforderungen eingehen, mit denen Designer bei Phased-Arrays mit digitaler Strahlformung konfrontiert sind?

Eine grundlegende physikalische Herausforderung ist der Elementabstand als Funktion der Wellenlänge, der sich mit zunehmender Betriebsfrequenz verringert. Viele Systeme legen den Elementabstand auf die halbe Wellenlänge oder weniger fest, um Gitterkeulen im Antennenmuster zu vermeiden. Im L- und S-Band ist es praktisch, die Elektronik in einem Abstand zwischen allen Elementen unterzubringen und dabei die neuesten Transceiver oder Direktabtastwandler zu verwenden. Wenn die Frequenz auf das X-Band (10 GHz) ansteigt, ist dies eine Herausforderung, aber mit fortgeschrittener Integration möglich. Bei Ka-band ist es eine ziemliche Herausforderung. Mit zunehmender Frequenz können Hybridarchitekturen praktischer werden und ein 4:1-Beamformer wie der ADAR1000 kann die Anzahl der Empfänger/Erreger um vier reduzieren und zusätzlichen Platz für die HF-Elektronik bereitstellen.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, integrieren wir weiterhin vollständige Abschnitte der Signalketten. Mehrkanalige integrierte Transceiver und Konverter bilden die Grundlage für die HF-Abtastung bei reduziertem Platzbedarf. Darüber hinaus schreitet das integrierte HF-Design in monolithischen RFICs, SiPs (System in Packages) und integrierten T/R-Modulen ständig voran. Die Kombination der Mehrkanal-Hochgeschwindigkeitswandler oder Transceiver mit den HF-Fortschritten ermöglicht die für moderne Phased-Array-Implementierungen erforderliche Integration.

Zusätzliche Links/Referenzen

Das Phased-Array-Design deckt viele Aspekte der Technik ab, vom Hochfrequenzdesign über die Stromverteilung, Hochgeschwindigkeits-Digitaldesign, fortschrittliche Verpackung und digitale Signalverarbeitung. Die Breite des Portfolios von Analog Devices deckt alle diese Bereiche ab. Das umfassende Angebotsspektrum eines einzigen Unternehmens ist einzigartig in der HF-/Mikrowellenbranche und bietet Systemintegratoren die Möglichkeit, Phased-Array-Antennensysteme zu entwickeln. Hier haben wir die Trends und einige Überlegungen vorgestellt. Viele weitere technische Informationen sowie alle Produktdatenblätter finden Sie online auf analog.com. Nachfolgend finden Sie einen Ausgangspunkt für technische Artikel, Webcasts und aktuelle ICs, die alle für Phased-Array-Anwendungen anwendbar sind.

Masterson, Claire. „Massive MIMO und Beamforming: Die Signalverarbeitung hinter den 5G-Schlagwörtern.“ Analoger Dialog, Bd. 1. Juni 2017.

Delos, Peter. „Fortschrittliche Technologien ebnen den Weg für neue Phased-Array-Radararchitekturen.“ Analog Devices, Inc., November 2016.

Delos, Peter und Jarret Liner. „Einzigartige Gate-Drive-Anwendungen ermöglichen ein schnelles Ein- und Ausschalten Ihres Hochleistungsverstärkers.“ Analog Dialogue, Ausgabe 148, Dez. 2017.

Delos, Peter, Michael Jones und Mark Robertson. „HF-Transceiver ermöglichen erzwungene Nebendekorrelation in Phased-Arrays mit digitaler Strahlformung.“ Analog Devices, Inc., September 2018.

Delos, Peter. „LO-Phasenrauschmodell auf Systemebene für Phased Arrays mit verteilten Phasenregelkreisen.“ Analog Device, Inc., November 2018.

Delos, Peter und Jarret Liner. „Verbesserte DAC-Phasenrauschmessungen ermöglichen DDS-Anwendungen mit extrem geringem Phasenrauschen.“ Analoger Dialog, Bd. 51, August 2017.

Delos, Peter. „Ein Überblick über die Architekturoptionen für Breitband-HF-Empfänger.“ Analog Devices, Inc., Februar 2017.

Brannon, Brad. „Einige aktuelle Entwicklungen in der Kunst der Empfängertechnologie: Eine ausgewählte Geschichte der Empfängerinnovationen der letzten 100 Jahre.“ Analoger Dialog, Bd. 52, Aug. 2018.

Benson, Keith. „Fortschritte bei analogen Phased-Array-Beamforming-Lösungen.“ Webcast von Analog Devices, Inc., September 2017.

Delos, Peter. „Digitale Beamforming-Techniken für Phased Arrays.“ Analog Devices, Inc. Webcast, Januar 2017.

Jones, Michael. „Ermöglichung von EW- und Phased-Array-Systemen der nächsten Generation.“ Analog Devices, Inc. Webcast, 2018.

Henderson, Greg. „Leitfaden zur RF-/Mikrowellen-Produktauswahl.“ Analog Devices, Inc. Juni 2018.

ADAR1000: Analoger Beamformer. Analog Devices, Inc., 2019.

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Über den Autor

Peter Delos ist technischer Leiter in der Aerospace and Defense Group bei Analog Devices in Greensboro, North Carolina. Er erhielt seinen BSEE von der Virginia Tech im Jahr 1990 und seinen MSEE von der NJIT im Jahr 2004. Peter verfügt über mehr als 25 Jahre Branchenerfahrung. Den größten Teil seiner Karriere verbrachte er damit, fortschrittliche HF-/Analogsysteme auf Architekturebene, PWB-Ebene und IC-Ebene zu entwerfen. Derzeit konzentriert er sich auf die Miniaturisierung von Hochleistungsempfänger-, Wellenformgenerator- und Synthesizer-Designs für Phased-Array-Anwendungen. Er ist unter [email protected] erreichbar.