Phased Array Beamformer ICs

ADI，www.analog.com/phasedarray

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集成式模拟波束赋形IC一般被称为核心芯片，旨在为包括雷达、卫星通信和5G通信在内的广泛应用提供支持。这些芯片的主要功能是准确设置每个通道的相对增益和相位，以在天线主波束所需的方向加强信号。该波束赋形IC专为模拟相控阵应用或混合阵列架构而开发，混合阵列架构将一些数字波束赋形技术与模拟波束赋形技术结合起来。

ADI公司的ADAR1000 X/Ku波段波束赋形IC是一款4通道器件，覆盖频段为8-16 GHz，采用时分双工(TDD)模式，其发射器和接收器集成在一个IC当中。在接收模式下，输入信号通过四个接收通道并组合在通用RF_IO引脚中。在发射模式下，RF_IO输入信号被分解并通过四个发射通道。功能框图如图1。

图1. ADAR1000功能框图。

简单的4线式串行端口接口(SPI)可以控制所有片内寄存器。这款4通道IC采用7×7 mm QFN表贴封装，可轻松集成到平板阵列当中。高度集成加上小型封装可以应对通道数量较多的相控阵架构中一些尺寸、重量和功率挑战。此器件在发射模式下功耗仅为240 mW/通道，在接收模式下功耗仅为160 mW/通道。

发射和接收通道直接可用，在外部设计上可以与前端IC配合使用。图2显示了器件的增益和相位图。具有全360°相位覆盖，可以实现小于2.8°的相位步长和优于30 dB的增益调整。ADAR1000集成片上存储器，可存储多达121个波束状态，其中一个状态包含整个IC的所有相位和增益设置。发射器提供大约19 dB的增益和15 dBm的饱和功率，其中接收增益约为14 dB。另一个关键指标是增益设置内的相位变化，在20 dB范围内约为3°。同样，在整个360°相位覆盖范围内，相位的增益变化约为0.25 dB，缓解了校准难题。

图2. ADAR1000发射增益/回波损耗和相位/增益控制，其中频率 = 11.5 GHz。

ADTR1107是一款紧凑型的6-18 GHz前端IC，是ADAR1000波束赋形芯片的补充，包含集成式功率放大器、低噪声放大器(LNA)，以及一个反射性的单刀双掷(SPDT)开关。功能框图如图3。

图3. ADTR1107功能框图。

这款前端IC在发射状态下提供25 dBm饱和输出功率(PSAT)和22 dB小信号增益，在接收状态下提供18 dB小信号增益和2.5 dB噪声系数（包括T/R开关）。该器件配有双向耦合器，用于检测功率。输入/输出(I/O)内部匹配至50 Ω。ADTR1107采用5×5 mm、24引脚基板栅格阵列(LGA)封装。ADTR1107的发射和接收增益及回波损耗如图4。

图4. ADTR1107的发射增益/回波损耗和接收增益/回波损耗。

ADTR1107专用于和ADAR1000轻松集成。接口原理图见图5。四个ADTR1107 IC由一个ADAR1000内核芯片驱动。出于简单考虑，图上只显示其中一个ADTR1107 IC的连接。

图5. 将ADTR1107前端IC与ADAR1000 X波段和Ku波段波束赋形器连接。

ADAR1000提供所需的所有栅极偏置和控制信号，使其与前端IC无缝连接。虽然ADTR1107 LNA栅极电压自偏置，我们也可以从ADAR1000控制其电压。ADTR1107功率放大器的栅极电压也由ADAR1000提供。由于1个ADAR1000驱动4个ADTR1107，所以偏置功率放大器电压需要4个独立的负极栅极电压。每个电压都由一个8位数模转换器(DAC)设置。此电压可由ADAR1000 TR输入或串行外设接口写入置位。置位ADAR1000 TR引脚会在接收和发射模式之间切换ADAR1000的极性。TR_SW_POS引脚可以驱动多达4个开关的栅极，且可用于控制ADTR1107 SPDT开关。

ADTR1107 CPLR_OUT耦合器输出可以与4个ADAR1000 RF检波器输入（图1中的DET1至DET4）中的一个回连，以测量发射输出功率。这些基于二极管的RF检波器的输入范围为−20至+10 dBm。ADTR1107定向耦合器的耦合系数从6 GHz时的28 dB到18 GHz时的18 dB。

可以通过ADAR1000驱动的栅极电压实现ADTR1107脉冲，同时保持漏极恒定。相比通过漏极脉冲，这种方法更好，因为这会用到高功率MOSFET开关和栅极驱动器与栅极开关，后者采用低电流。还应注意，在发射模式下ADAR1000提供足够功率会令ADTR1107饱和，在天线短路时ADTR1107可以承受总反射功率。

在发射和接收模式下，ADTR1107和ADAR1000在8-16 GHz频率范围内的组合性能如图6。在发射模式下，它们提供约40 dB增益和26 dBm饱和功率，在接收模式下，则提供约2.9 dB噪声系数和25 dB增益。

图6. 与ADAR1000（单通道）耦合的ADTR1107的发射和接收性能。

4个ADAR1000芯片可以驱动16个ADTR1107芯片。简单的四线式SPI控制所有片内寄存器。两个地址引脚可对同一串行线缆上的最多四个ADAR1000芯片进行SPI控制。专用发射和接收负载引脚也可同步同一阵列中的所有内核芯片，且单引脚可控制发射和接收模式之间的快速切换。

收发器芯片组和其他配套产品

高度集成的射频收发器芯片可以提升天线层面的集成。ADRV9009就是这种芯片一个很好的例子。它提供双发射器和接收器、集成式频率合成器和数字信号处理功能。该器件采用先进的直接转换接收器，具有高动态范围、宽带宽、错误校正和数字滤波功能。还集成了多种辅助功能，比如模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)，以及用于功率放大器的通用输入/输出以及RF前端控制。高性能锁相环可同时针对发射器和接收器信号路径提供小数N分频RF频率合成。它提供极低功耗和全面的关断模式，以在不使用时进一步省电。ADRV9009采用12×12 mm、196引脚芯片级球栅阵列封装。