數字波束成形相控陣中RF電子器件的物理尺寸分配

相控陣雷達和有源電子掃描陣列（AESA）已經在航空航天和國防市場中使用和部署了十多年。這一時期主要從模擬波束成形系統開始，并不斷遷移到更高水平的數字波束成形。系統工程目標不斷需要接近元素的數字波束成形實現，以實現的靈活性和可編程性。

相控陣雷達和有源電子掃描陣列（AESA）已經在航空航天和國防市場中使用和部署了十多年。這一時期主要從模擬波束成形系統開始，并不斷遷移到更高水平的數字波束成形。系統工程目標不斷需要接近元素的數字波束成形實現，以實現的靈活性和可編程性。

遷移到近元素數字波束成形存在許多挑戰。挑戰范圍包括校準、數字控制、時鐘分配、LO、電源、處理數據量以及電子設備的物理尺寸限制。無線行業RF IC的大量進步繼續使RF設計具有更高集成度的能力，現在每個元件數字波束成形陣列的實際實現正在成為現實。

在本文中，我們將重點介紹電子產品的物理尺寸要求。討論了物理尺寸要求與工作頻率的關系，并回顧了實際的實現方法。

天線元件間距與頻率的關系

首先，將天線元件間距視為頻率的函數。為了避免光柵瓣，需要λ/2或更小的元件間距，其中λ是工作頻率波長。

極化多樣性也正在成為理想的系統目標。此功能提供了對各種天線極化進行編程的能力，包括水平、垂直或左右手圓極化。實現此功能的天線元件實現是具有兩個端口的輻射元件，其中每個端口都以正交極化輻射。通過控制每個端口的相對相位和幅度，可以產生不同的極化。雖然對系統來說是一個顯著的好處，但不幸的是，此功能使所需的天線端口數量增加了一倍，并使支持電子設備復雜化。

圖1顯示了元件間距與頻率的關系，假設有一個λ/2天線元件間距實現。通過概述這些物理尺寸限制，可以評估天線后面的RF子系統，以評估滿足電子通道間隔與頻率所需的實現。

圖1.元素間距與頻率的關系。

頻率元素間距雙極 I/O 間距
3千兆赫50毫米，2英寸25毫米，1英寸
10千兆赫15 毫米，600 密耳7.5毫米，300密耳
30千兆赫5 毫米，200 密耳2.5毫米，100密耳

波形發生器和接收器通道間距

圖2顯示了ADI收發器產品之一的評估板。該板包含兩個收發器。每個收發器包含兩個發射和接收通道（見圖3），因此實現了四個完整的波形發生器和接收器。該板還包括一個時鐘 IC 和幾個用于評估器件的其他 I/O 功能。

　
圖2.收發器通道間距。

　
圖3.收發器產品線包括雙波形發生器和接收器。

雖然該板不是為了盡可能高的集成度，但該板提供了對波形發生器和接收器部分的實際尺寸限制的深入了解。從電路板上可以很快看出，收發器產品線支持每個元件的數字天線間距到C波段，并且通過一些額外的努力，可以實現X波段元件間距。

接下來，配接RF上/下變頻器的物理尺寸如圖4所示。該特定板旨在用作雙收發器板的測試板配套，并再次可用于考慮該RF子系統的實際物理尺寸限制。該板采用標準的低成本方法，使用所有市售部件。同樣，這表明這種類型的實現支持每個元件數字天線，可達C波段。如果遷移到X波段，每個數字元件都可以實現，從而能夠與SiP（系統級封裝）集成進一步集成。

這兩塊電路板概述了低成本商業實現支持頻率高達C波段的數字波束成形相控陣中的每個元件。X波段及以上的每個元件實現可以通過進一步集成來實現，或者作為替代波束成形IC可用于減少波形發生器和接收器通道的數量相對于元件的數量。4：1 X/Ku波段波束成形器現已商業化，是這些頻率下低成本數字波束成形相控陣的實用方法。

Ka波段元素間距

接下來，考慮Ka波段天線元件間距，如圖5所示。在 30 GHz 時，λ/2 間距為 5 mm，如圖所示，這對電子設備來說是相當具有挑戰性的。然而，在與天線元件正對的這個間距內實現4：1模擬波束成形器是可行的。挑戰在于物理尺寸限制幾乎沒有機會使用其他組件。這就需要在波束成形封裝中包含LNA或PA，并將去耦電容等無源元件埋在PWB內。

Ka波段衛星系統的一個幸運的設計優勢是，大多數系統將發射和接收功能分離到單獨的天線中。這為設計僅發射或僅接收針對特定任務優化的波束成形IC提供了機會。

總結

無線行業RF IC的持續發展已成為數字波束成形相控陣技術普及的推動因素。現在，使用標準PWB技術設計每個元件的數字波束成形相控陣對于高達C波段的頻率是可行的。在更高頻率的X波段，每個元素的數字實現都是可行的，但可能需要額外的設計工作來進一步集成。或者，可以使用4：1模擬波束成形器，為電子設備提供額外的空間，并再次允許使用標準的PWB實現方法。在Ka波段物理尺寸約束下，這可能變得具有挑戰性。然而，通過將前端電子元件集成到波束成形器封裝中，現在可以實現子陣列天線架構或全模擬波束成形系統。