Аннотация
Достижения в области полупроводниковых технологий сделали возможным применение фазированных антенных решеток в широком спектре решений и отраслей. Переход от антенн с механическим управлением к активным электронно-сканирующим антенным решеткам (AESA) начался много лет назад, однако бурное развитее данная технология получила сравнительно недавно, что во многом обусловлено появлением сетей 5G. Использование AESA дает преимущества в скорости настройки, возможности создания нескольких диаграмм направленности и высокой надежности, но в то же время для их использования требуются микросхемы, построенные по особым технологиям, что ограничивало сферу применения AESA до недавних пор. Для совместной работы с плоскими антенными решетками микросхемы должны обладать высокой степенью интеграции, низким энергопотреблением, высоким КПД и другими характеристиками, которые бы позволили разработчикам устанавливать их в систему, сохранная количество выделяемого тепла на приемлемом уровне. В данной статье приводится описание и примеры того, как развитие полупроводниковых технологий и усовершенствование структуры микросхем, предназначенных для работы с фазированными антенными решетками, расширили область их применения.

Введение
Примером широкого использования антенн могут служить параболические антенны, которые получили распространение в системах с узконаправленной передачей/приемом сигналов. Данные антенны хорошо выполняют свои функции и имеют сравнительно невысокую стоимость, что обусловлено высоким уровнем оптимизации. Однако у параболических антенн присутствует ряд недостатков: механическое управление, которое значительно ограничивает скорость настройки системы, громоздкие размеры, низкая надежность и возможность передачи/приема данных только в одном направлении.
Антенны, построенные на основе фазированных решеток, лишены описанных выше недостатков, имеют электрическое управление, меньшую занимаемую площадь, меньший объем, более высокую надежность и скорость настройки, а также возможность работы сразу с несколькими потоками данных в разных направлениях.
Одним из ключевых параметров фазированных антенных решеток является расстояние между элементами (шаг решетки). В большинстве случаев наиболее оптимальным значением шага является величина, равная половине длины волны сигнала, однако такое соотношение может достаточно сильно усложнить конструкцию решетки при работе на высоких частотах. Высокая частота работы вынуждает разработчиков искать микросхемы управления с высокой степенью интеграции, которые бы занимали минимальную площадь на печатной плате устройства.
Перспектива использования в разного рода приложениях фазированных решеток давно привлекала разработчиков, однако возможность их применения была ограничена микросхемами управления. Но прогресс не стоит на месте и развитие полупроводниковых технологий теперь позволяет объединять в одном корпусе цифровые элементы управления, элементы памяти, транзисторы и другие компоненты системы. Кроме того, использование нитрида галия (GaN) для построения усилителей, используемых в микросхемах управления, значительно увеличивает их плотность мощности, обеспечивая тем самым снижение занимаемой площади.

Технологии построения фазированных антенных решеток
В последние несколько лет мы наблюдаем серьезное развитие в области разработки низкопрофильных антенных решеток, которые имеют меньший объем и массу по сравнению с традиционными решениями. Традиционная архитектура построения решеток основывается на использовании модулей, представляющих собой печатные платы с электронными компонентами, которые устанавливаются перпендикулярно задней стороне платы антенны. Данный принцип претерпел существенные изменения за последние 20 лет, основной целью которых было снижение габаритов системы. В результате данных изменений, архитектура построения перешла от перпендикулярных модулей к плоским, устанавливаемым друг на друга панелям, что дало возможность уменьшить размеры и устанавливать антенные решетки в портативных или бортовых системах. Данные антенные решетки получили название плоских или планарных решеток. Однако уменьшение размеров требует использования микросхем с высокой степью интеграции.
При создании планарных антенных решеток, пространство, доступное для установки микросхем ограничивается расстоянием между элементами решетки. К примеру, максимальное расстояние между элементами при угле луча 60° и отсутствии дополнительных лепестков решетки составляет 0,54 λ. На рисунке 1 приведен график зависимости расстояния между элементами от частоты сигнала. Как видно из графика, по мере увеличения частоты, расстояние между элементами уменьшается, уменьшая тем самым и пространство, доступное для установки микросхем управления.

На рисунке 2 показан принцип установки элементов антенной решетки, где на верхней стороне печатной платы расположены элементы антенны, а на нижней показано их соединение с микросхемами управления. Нетрудно заметить, что чем большей степенью интеграции будут обладать компоненты, тем больше возможностей будет у разработчика для их компоновки. В связи с постоянным уменьшением габаритов решетки и, следовательно, пространства для установки компонентов, для создания жизнеспособных решений требуются микросхемы, построенные по принципиально новым полупроводниковым технологиям.

Технологии построения и интеграция микросхем
На рисунке 3 показаны компоненты, используемые для управления антенной решеткой при работе в микро и миллиметровом диапазоне. При формировании диаграммы направленности аттенюатор (ATN) регулирует уровень мощности на каждом элементе антенны таким образом, чтобы максимально снизить уровень боковых лепестков. Фазовращатели (PHS) отвечают за сдвиг фазы элементов антенны и управления уровнем наклона луча, переключатель (SWT) отвечает за режим работы антенны: передатчик или приемник. В секции Front-End-микросхемы расположены усилитель PA, который используется для усиления передаваемых сигналов, малошумящий усилитель (LNA) — используется для усиления принимаемых сигналов и переключатель (T/R), который также отвечает за режим работы. В старых реализациях каждый из данных компонентов представлял собой отдельную микросхему, однако развитие полупроводниковых технологий позволило использовать вместо них монолитные решения на основе арсенида галлия (GaAs), обеспечивающие тот же функционал, но значительно снижающие занимаемую площадь. Стоит отметить, что на рисунке не были представлены многие другие компоненты, используемые при построении систем на основе фазированных решеток: приемники/генераторы сигналов, процессоры, РЧ-сумматоры и так далее.

Развитию технологии построения фазированных антенных решеток во многом способствовали достижения в области полупроводниковых технологий. Применение методов создания микросхем на основе SiGe — BiCMOS, систем на кристалле (SOI) и CMOS на монолитных подложках позволили объединить в одном корпусе цифровые и РЧ-модули. Новые микросхемы могут выполнять цифровую обработку сигналов решетки и при этом проводить настройку параметров РЧ-сигнала для достижения желаемой фазы и амплитуды. Возможно также создание многоканальных микросхем, используемых для управления и формирования диаграммы направленности фазированных решеток, которые способны выполнять регулировку усиления и фазы в 4-канальной конфигурации, а также иметь до 32 каналов, когда речь идет о миллиметровом диапазоне. В некоторых системах с низким энергопотреблением, микросхема управления, может представлять собой монолитное решение, обеспечивающие выполнение всех описанных выше функций. В системах с высокой мощностью компоненты по-прежнему разбиты на несколько микросхем, но в то же время многие из них, например, усилители мощности на основе нитрида галлия значительно увеличили плотность мощности, что позволило им уместиться в пределах одной ячейки фазированной решетки. Традиционно такие усилители строились на основе технологии ламп бегущей волны (ЛБВ, TWT) или на основе GaAs, что значительно ограничивало их выходную мощность.
Когда речь заходит о бортовых приложениях, мы все чаще наблюдаем тенденцию к использованию плоских архитектур с использованием систем повышенной эффективности (power added efficiency, PAE) на основе GaN. Использование GaN также позволило радарным системам наземного базирования перейти от тарелочного типа антенн с управлением при помощи ЛБВ к фазированным антенным решетками с управлением посредством GaN-микросхем. Благодаря GaN мы можем использовать в таких системах усилители с выходной мощностью более 100 Вт при PAE более 50%. Сочетание высокого уровня эффективности с достаточно низким коэффициентом заполнения позволяет создавать компоненты для поверхностного монтажа с рассеиванием тепла прямо через основание корпуса. Такие компоненты значительно уменьшают размер, вес и конечную стоимость антенной решетки. Еще одним преимуществом, помимо более высокой выходной мощности, являются более компактные размеры компонентов на основе GaN по сравнению с решениями на базе GaAs. К примеру усилитель на основе GaN с выходной мощностью от 6 до 8 Вт, работающий X-диапазоне имеет занимаемую площадь на 50% меньше чем аналогичный усилитель, построенный на основе GaAs. Уменьшение занимаемой площади принимает решительное значение, когда речь заходит о размещении элементов в ограниченного размера ячейках фазированной решетки.
Также не следует забывать и о достижениях в области производства корпусов, которые позволяют создавать антенны с плоской структурой по сравнительно низкой цене. В тех случаях, когда требуется высокая надежность системы, в традиционных решениях используются позолоченные герметичные корпуса с проволочным монтажом кристаллов. Такие корпуса прекрасно подходят для работы в экстремальных условиях, но они имеют громоздкие габариты и высокую стоимость. Альтернативой такого подхода могут стать многокристальные модули (MCM), позволяющие объединить несколько MMIC-устройств и пассивных элементов обвязки в один относительно недорогой корпус. MCM значительно экономят место на печатной плате и в то же время позволяют использовать различные полупроводниковые технологии для максимизации производительности каждого отдельного компонента. Если рассматривать Front-End-MCM для фазированных решеток, то такие микросхемы могут объединять в себе PA, LNA и переключатель T/R. Для отвода тепла в MCM используются переходные отверстия или медная контактная площадка в основании корпуса. MCM получили широкое распространение в космических, военных и коммерческих приложениях за счет своей низкой стоимости и высокой надежности.

Микросхемы для формирования и управления лучом фазированной решетки
Аналоговые микросхемы, отвечающие за формирование и управление лучом антенной решетки, часто также называют основными микросхемами системы. Без данных микросхем трудно представить многие приложения спутниковой связи, радаров, телекоммуникации или систем для работы с 5G. Основное назначение данных микросхем — это установка относительного усиления и фазы каждого элемента решетки для создания эффекта когерентного сложения сигналов и формирования луча антенны. Данные микросхемы используются в аналоговых и гибридных системах, которые сочетают в себе цифровую обработку и аналоговое управление лучом.
Примером компонента, используемого для формирования диаграммы направленности X- / Ku-диапазона является ADAR1000. ADAR1000 — это 4-канальная микросхема с интегрированным приемником и передатчиком, работающая в диапазоне от 8 до 16 ГГц в дуплексном режиме с временным разделением каналов (TDD). В режиме приема входные сигналы проходят через четыре приемных канала и объединяются на выводе RF_IO. В режиме передачи входной сигнал, поступающий на вывод RF_IO, делится на четыре сигнала и пропускается через четыре передающих канала. Блок-схема ADAR1000 представлена на рисунке 4.

Управление регистрами происходит через простой 4-проводной последовательный интерфейс (SPI). Два адресных контакта (ADDR0 и ADDR1) позволяют подключать к шине SPI одновременно до четырех устройств. Выделенные выводы загрузки данных для режимов передачи и приема обеспечивают синхронизацию устройств в составе одной фазированной решетки. Присутствует также отдельный вывод для быстрого переключения микросхемы между режимами приема и передачи. ADAR1000 поставляется в корпусе QFN размером 7 мм x 7 мм для поверхностного монтажа и является прекрасным выбором для использования в системах на основе плоских антенных решеток. Высокий уровень интеграции в сочетании с компактными размерами корпуса позволяет решить основные проблемы, связанные с размером, весом и мощностью в фазированных решетках с большим количеством элементов. Уровень рассеиваемой мощности ADAR1000 составляет всего 240 мВт на канал в режиме передачи и 160 мВт на канал в режиме приема.
Сопряжение с Front-End-микросхемами происходит через выводы, отвечающие за прием и передачу сигналов. На рисунке 5 показаны графики зависимости коэффициента усиления от частоты и диапазон фазового сдвига элементов при частоте сигнала 11,5 ГГц, под управлением микросхемы ADAR1000. Как видно из диаграммы, сдвиг фаз элементов может составлять от 0 до 360 ° с шагом менее 2,8 ° и усилением до 30 дБ. ADAR1000 также содержит встроенную память и способна хранить до 121 состояния луча, каждое из которых содержит в себе все необходимые настройки фазы и коэффициентов усиления. Передатчик ADAR1000 обеспечивает усиление на уровне 19 дБ при мощности насыщения 15 дБмВт, коэффициент усиления приемника составляет приблизительно 14 дБ. Важным показателем ADAR1000 является настройка коэффициента усиления при изменении фазы элемента, шаг которой составляет около 3 ° в диапазоне 20 дБ. Шаг настройки коэффициента усиления элемента составляет около 0,25 дБ при сдвиге фаз от 0 до 360 °, что значительно упрощает калибровку антенны.

При выборе Front-End-микросхемы для совместной работы с ADAR1000, стоит обратить внимание на микросхему ADTR1107. ADTR1107 — это компактное решение, работающее в диапазоне от 6 до 18 ГГц со встроенным усилителем мощности (PA), малошумящим усилителем (LNA) и однополюсным переключателем режима работы (SPDT). Блок-схема ADTR1107 показана на рисунке 6.

ADTR1107 способна выдавать до 25 дБмВт выходной мощности в режиме насыщения (P_SAT), обеспечивать усиление сигнала до 22 дБ в режиме передачи и 18 дБ с коэффициентом шума 2,5 дБ (включая переключатель T/R) в режиме приема. ADTR1107 содержит направленный ответвитель для определения мощности сигнала, входы / выходы микросхемы согласованы и имеют выходное сопротивление на уровне 50 Ом. ADTR1107 поставляется в 24-выводном корпусе LGA размером 5 мм x 5 мм. Графики зависимости коэффициента усиления и возвратных потерь от частоты ADTR1107 показаны на рисунке 7.

ADTR1107 специально разработан для совместной работы с ADAR1000. Одна микросхема ADAR1000 способна взаимодействовать одновременно с четырьмя ADTR1107. На рисунке 8 приведет пример схемы подключения ADTR1107 к ADAR1000.

ADAR1000 обеспечивает необходимое напряжение смещения и сигналы управления при подключении ADTR1107. Несмотря на то, что усилитель LNA ADTR1107 представляет собой усилитель с автоматическим смещением, его напряжением можно управлять через ADAR1000. Напряжение смещения усилителя мощности PA ADTR1107 также устанавливается посредством ADAR1000. В связи с тем, что одна микросхема ADAR1000 управляет четырьмя ADTR1107 для смещения усилителей мощности PA ADTR1107 необходимо организовать выдачу четырех независимых отрицательных напряжений. Каждое напряжение задается посредством 8-битного цифро-аналогового преобразователя (DAC). Вывод TR микросхемы ADAR1000 определяет режим работы системы (передача или прием), а TR_SW_POS предназначен для управления затворами внешних переключателей, в том числе переключателем ADTR1107 SPDT.
Вывод микросхемы ADTR1107 CPLR_OUT может быть связан с одним из четырех входов РЧ-детектора ADAR1000 (DET1…DET4) для измерения выходной мощности передачи. РЧ-детекторы ADTR1107 работают в диапазоне от -20 дБм до +10 дБм. Коэффициент связи направленного ответвителя ADTR1107 составляет от 28 дБ на 6 ГГц до 18 дБ на 18 ГГц.
ADTR1107 способна работать в импульсном режиме, настройка которого происходит путем управления напряжением затвора переключателя при помощи ADAR1000. Данный подход позволяет организовать боле экономичный импульсный режим, чем если бы это делалось через сток ADTR1107, для организации которого потребовалось бы включение высокомощного MOSFET. В режиме передачи ADAR1000 выдает достаточную мощность для насыщения ADTR1107, а ADTR1107 в свою очередь спроектирована так, чтобы выдерживать полную отраженную мощность в случае возникновения короткого замыкания на антенне.
На рисунке 9 показаны характеристики подключенных к одной цепи микросхем ADTR1107 и ADAR1000 при работе в диапазоне от 8 до 16 ГГц. В режиме передачи микросхемы обеспечивают коэффициент усиления сигнала около 40 дБ и 26 дБмВт насыщенной мощности, в режиме приема коэффициент шума составляет около 2,9 дБ при значении коэффициента усиления на уровне 25 дБ.

На рисунке 10 показана схема подключения четырех ADAR1000 для управления шестнадцатью микросхемами ADTR1107. Управление регистрами происходит через простой 4-проводной последовательный интерфейс (SPI). Два адресных контакта (ADDR0 и ADDR1) ADAR1000 позволяют подключать к шине SPI одновременно до четырех устройств. Выводы Tx_LOAD и Rx_LOAD обеспечивают синхронизацию всех микросхем в пределах решетки, а контакт TR позволяет быстро менять режим работы системы с приема на передачу или наоборот.

Микросхемы приемопередатчиков и другие сопутствующие компоненты
Использование микросхем приемопередатчиков с высокой степенью интеграции способствуют улучшению показателей систем на основе фазированных решеток. Примером такого приемопередатчика может являться микросхема ADRV9009. ADRV9009 представляет собой конфигурируемый высокочастотный приемопередатчик с высокой степенью интеграции, состоящий из сдвоенных передатчиков и приемников с интегрированными синтезаторами частот и функциями цифровой обработки сигналов. Приемники, интегрированные в ADRV9009, представляют собой современные устройства прямого преобразования с широким динамическим диапазоном, широкой полосой пропускания, встроенной коррекцией ошибок и цифровой фильтрацией. В микросхему также интегрированы несколько дополнительных компонентов: аналого-цифровые преобразователи (ADC), цифро-аналоговые преобразователи (DAC) и вводы/выводы общего назначения (GPIO) для управления усилителем мощности и ВЧ-интерфейсом. Кроме того, ADRV9009 включает в себя интегрированную малопотребляющую систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с дробным коэффициентом деления, которая обеспечивает высококачественный синтез ВЧ-сигнала для трактов передатчика (Tx) и приемника (Rx). Для минимизации энергопотребления в ADRV9009 предусмотрены различные режимы работы. ADRV9009 доступна в 196-выводном корпусе BGA размером 12 мм × 12 мм (CSP_BGA).
Компания Analog Devices предлагает своим клиентам полную цепочку компонентов, необходимых для создания систем управления фазированных антенных решеток (рисунок 11). Компоненты Analog Devices обладают высокой степенью оптимизации и интеграции, что упрощает процесс производства и сокращает время выхода на рынок конечных устройств. Развитие полупроводниковых технологий и принципов построения микросхем привело к упрощению конструкции антенных решеток, что в свою очередь значительно расширило область их применения.