Phased-Array-Beamforming-ICs und Systemdesign

Wie in anderen Anwendungsbereichen, so ist auch hier die Integration weit verbreitet und hat dazu beigetragen, die Systemgrößen drastisch zu reduzieren. IoT-Produkte, Telekommunikation, Automobilindustrie und viele weitere Bereiche profitieren von der durch SoCs und andere ICs bereitgestellten Integration. RF-Technologien, die auf Beamforming angewiesen sind, erleben ihre eigene Integrationsstufe, und ein Phased-Array-Beamforming-IC ist genau das, was ein kompaktes System benötigt, um Beamforming und in 5G-fähigen Systemen MIMO zu ermöglichen.

5G hat Beamforming zu einem neuen Technologie-Schlagwort gemacht, aber Beamforming hat auch außerhalb der Telekommunikation Anwendungen. Chirped Radar, drahtlose Energieübertragung über lange Strecken und V2X sind einige Bereiche, in denen Beamforming nützlich ist, um eine längere Reichweite der Daten-/Energieübertragung mit Richtungskontrolle zu ermöglichen. Wenn Sie in Ihrem neuen System eine Phased-Array-Steuerung benötigen, sollten Sie einen dieser Beamforming-Controller in Betracht ziehen.

Strahlsteuerung in Phased-Array-Beamforming

Beamforming von einer planaren Oberfläche, wie einer Leiterplatte (PCB), kann mit einem Phased-Antennen-Array erreicht werden. Diese Antennen können direkt auf die PCB gedruckt oder es können externe Antennen (z.B. Gummistabantennen) sein. Das an jede Antenne im Array gesendete Signal wird leicht phasenverschoben, und der resultierende Strahl bildet sich aufgrund der Interferenz zwischen den einzelnen Antennen. Indem Sie genau die richtige Verzögerung zwischen den an verschiedene Antennen gesendeten Signalen platzieren, können Sie die Richtung des resultierenden Strahls steuern.

Ihr Phased-Array-Beamforming-IC steuert diese Verzögerung zwischen verschiedenen Antennenelementen und damit den emittierten Strahl. Diese ICs sind Hochfrequenz-RF-Komponenten, die typischerweise mit anderen Komponenten kombiniert werden. Das untenstehende Blockdiagramm zeigt die typische Architektur eines mit Beamforming integrierten RF-Frontends.

Die verschiedenen Blöcke in diesem Diagramm könnten in verschiedenen Komponenten auf unterschiedlichen Ebenen integriert sein. Für den Beamforming-Controller könnten einige Teile des Frontends in den IC integriert sein, seien Sie also vorsichtig, wenn Sie zusätzliche Verstärkung oder Filterung am Ausgang hinzufügen. Der Beamformer kann nur an eine kleine Anzahl von Antennen angeschlossen werden, daher erfordert die Steuerung eines größeren Arrays mehrere Beamforming-ICs, möglicherweise mit mehreren Transceivern. Etwas wie ein Chirped-Radar-Modul benötigt nur bis zu 4 zentral gespeiste Patch-Antennen, während ein 4x4- oder 8x8-MIMO-System möglicherweise ein riesiges Array von Antennen benötigt, um Beamforming über mehrere Kanäle zu ermöglichen. Ein einzelner RF-Transceiver könnte auch mit einem Antennenschalter verwendet werden, um die Größe des Arrays ebenfalls zu erweitern.

Ein Phased-Array-Beamforming-IC lässt sich einfach mit Time Domain Duplexing (TDD) oder Frequency Domain Duplexing (FDD) verwenden. Bei TDD schaltet ein Schalter am Antennenende einfach den Signalweg zwischen den Rx- und Tx-Seiten des Phased-Array-Beamforming-Controllers um. Für FDD müssen Sie einen kreativeren Ansatz wählen, da Sie gleichzeitig in verschiedenen Bändern senden und empfangen müssen. Die Forschungsgemeinschaft arbeitet noch an einer IC-Architektur, um FDD mit Beamforming in einer einzigen Transceiver-Einheit zu ermöglichen. Bis dahin gibt es Zweikanal-Transceiver-Einheiten für FDD-Radio, die die Strahlsteuerung mit mehreren Phased-Array-Beamforming-Controllern unterstützen können.

Arten von Beamforming-Controllern

Auf der Empfangsseite gibt es zwei Arten von Beamforming, und Sie müssen Ihre Komponenten auswählen, um entweder die eine oder die andere Art von Beamforming zu unterstützen. Beachten Sie, dass die verschiedenen Arten von Beamforming auch Ihr PCB-Layout beeinflussen. Diese beiden Arten von Beamforming sind digital und analog.

Beim analogen Beamforming wird eines der Tx-Signale durch ein Phasenverschiebungselement (z.B. Filter und Verstärker) an ein Antennenelement weitergeleitet. Derzeit ist das analoge Beamforming wohl die kostengünstigste Methode, um ein Beamforming-Array zu bauen, aber jeder Beamforming-Controller kann nur mit einem einzigen Strahl verwendet werden. Beim digitalen Beamforming wird der Eingang an jedem Antennenelement mit einem integrierten ADC in ein digitales Signal umgewandelt. Dies ermöglicht eine genauere Rekonstruktion der Richtung des empfangenen Strahls. Schließlich ist das hybride Beamforming eine Mischung aus diesen beiden Arten von Beamforming.

Die unten gezeigten Phased-Array-Beamforming-Controller sind alle analoge Beamformer-Controller, da die digitale Beamforming-Technologie noch entwickelt und kommerzialisiert wird. Erwarten Sie, dass diese andere Klasse von Beamformern in Zukunft weit verbreitet sein wird.

Renesas, F5260AVGK

Der F5260AVGK Beamforming-Controller von Renesas ist ein 8-Kanal-analoger Beamformer, der von 24 bis 28 GHz arbeitet. Dies macht ihn nützlich für Anwendungen wie Kurzstrecken-Radarmodule mit etwas geringer Richtungsgenauigkeit, z.B. Rückfahrsensoren. Diese Komponente arbeitet im Halbduplex-Modus mit dualer Polarisation für Phased-Array-Anwendungen. Der Frequenzbereich ist auch in 5G-Anwendungen mit 4x4 MIMO nützlich. Jeder Kanal umfasst integrierte Gewinnsteuerung und präzise Phasensteuerung für genaues Beam-Steering mit großer Reichweite. Die Steuerung erfolgt über SPI bis zu 50 MHz. Andere Komponenten, die in anderen Frequenzbereichen arbeiten, sind ebenfalls in der F5XXX- und F6XXX-Reihe von Renesas verfügbar.

Anokiwave, AWMF-0139

Der AWMF-0139 Beamforming-IC von Anokiwave ist eine weitere Komponente, die massives MU-MIMO in 5G ermöglicht, obwohl die Frequenzausgabe für Kurzstreckenradar oder andere spezielle HF-Anwendungen geeignet ist. Andere Komponenten der AWMF-Serie unterstützen andere Frequenzbereiche bis zu 40 GHz. Diese Komponenten bieten auch eine feine Steuerung von Verstärkung und Phase, die für die Halbduplex-Kommunikation benötigt wird, und machen sie damit konkurrenzfähig mit der oben gezeigten Renesas-Komponente. Ideale Anwendungen für den AWMF-0139 umfassen MIMO-Systeme für 5G und andere drahtlose Technologien.

Peregrine Semiconductor, PE19601

Der PE19601 Beamforming-Controller von Peregrine Semiconductor ist ideal für X-Band-Radaranwendungen (8-12 GHz), bei denen Beamforming erforderlich ist (z.B. Kurzstreckenradar in neuen Autos). Diese Komponente bietet integrierte Verstärkung mit hoher Linearität (OIP3 bei +40 dBm) mit Phasenverschiebungen, die mit 10-Bit-Genauigkeit gesteuert werden. Die Isolation zwischen jedem Antennenspeiseleitungsausgang ist ebenfalls sehr hoch (50 dB).

Weitere Komponenten für Phased-Array-Beamforming

RF-Frontends erfahren eine immer stärkere Integration und das bei höheren Frequenzen als je zuvor. Wenn Sie Ihr Board mit Phased-Array-Beamforming-Steuerung und -Empfang entwerfen müssen, hier sind einige andere Komponenten, die Sie für Ihr System benötigen:

• RF-Leistungsverstärker

• RF-Antennen

• Passive Bauelemente für Anpassungsnetzwerke

• RF-Transceiver

Beamforming wird dank der Komponenten für Phased-Array-Beamforming-Controller einfacher. Wenn Sie neue Beamforming-Komponenten für Ihr nächstes RF-/Drahtlosprodukt suchen, versuchen Sie es mit den fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen in Octopart. Octopart bietet Ihnen eine komplette Lösung für die Beschaffung von Elektronik und das Supply-Chain-Management. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten RF-Halbleitern, um mit der Suche nach den benötigten Komponenten zu beginnen.

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