フェーズドアレイ・ビームフォーミングICおよびシステム設計

他のアプリケーション領域と同様に、統合が広がり、システムサイズを大幅に削減するのに役立っています。IoT製品、通信、自動車など多くの分野がSoCやその他のICによる統合の恩恵を受けています。ビームフォーミングに依存するRF技術も、統合のレベルを見ており、コンパクトなシステムにビームフォーミングを提供し、5G対応システムではMIMOを提供するために、位相配列ビームフォーミングICが必要です。

5Gはビームフォーミングを新しい技術用語にしましたが、ビームフォーミングは通信以外の用途でも使用されます。チャープレーダー、長距離ワイヤレス電力伝送、V2Xなど、ビームフォーミングが方向制御を伴う長距離データ/電力伝送を提供するのに役立つ分野がいくつかあります。新しいシステムで位相配列制御が必要な場合は、これらのビームフォーミングコントローラーのいずれかを検討してください。

位相配列ビームフォーミングにおけるビーム制御

PCBなどの平面からのビームフォーミングは、位相アンテナ配列を使用して達成できます。これらのアンテナはPCB上に直接印刷されることも、外部アンテナ（例えば、ラバーダッキーアンテナ）であることもあります。配列内の各アンテナに送信される信号はわずかに位相がずれ、その結果形成されるビームは各アンテナ間の干渉によるものです。異なるアンテナに送信される信号間にちょうど正しい遅延を置くことで、結果として生じるビームの方向を制御できます。

位相配列ビームフォーミングICは、異なるアンテナ要素間のこの遅延を制御し、放射されるビームを制御します。これらのICは高周波RFコンポーネントであり、通常は他のコンポーネントと組み合わされます。下のブロック図は、ビームフォーミングが統合されたRFフロントエンドの典型的なアーキテクチャを示しています。

この図のさまざまなブロックは、さまざまなコンポーネントで異なるレベルで統合されている可能性があります。ビームフォーミングコントローラーの場合、フロントエンドの一部がICに統合されている可能性があるため、出力での追加の増幅やフィルタリングに注意してください。ビームフォーマーは少数のアンテナにのみ接続できるため、より大きな配列を制御するには、複数のトランシーバーを使用して複数のビームフォーミングICが必要になる場合があります。チャープレーダーモジュールのようなものは、最大4つの中心給電パッチアンテナしか必要としませんが、4x4または8x8 MIMOシステムでは、複数のチャネルでビームフォーミングを提供するために大量のアンテナ配列が必要になる場合があります。単一のRFトランシーバーは、アンテナスイッチと共に使用して、配列のサイズを拡大することもできます。

位相配列ビームフォーミングICは、時間領域デュプレクシング（TDD）または周波数領域デュプレクシング（FDD）で使用するのが簡単です。TDDの場合、アンテナ端のスイッチが位相配列ビームフォーミングコントローラのRxとTx側の信号経路を切り替えるだけです。FDDの場合、異なる帯域で同時に送受信する必要があるため、もっと創造的なアプローチが必要になります。研究コミュニティは、単一のトランシーバーユニットでビームフォーミングを可能にするICアーキテクチャについてまだ取り組んでいます。それまでは、FDDラジオ用の2チャンネルトランシーバーユニットがあり、複数の位相配列ビームフォーミングコントローラでビーム制御をサポートできます。

ビームフォーミングコントローラの種類

受信側では、ビームフォーミングには2種類あり、どちらのタイプのビームフォーミングにも対応するコンポーネントを選択する必要があります。異なるタイプのビームフォーミングはPCBレイアウトにも影響を与えることに注意してください。これら2種類のビームフォーミングはデジタルとアナログです。

アナログビームフォーミングでは、Tx信号の1つが位相シフト要素（例：フィルターやアンプ）を通過してアンテナ要素に供給されます。現在、アナログビームフォーミングはビームフォーミングアレイを構築する最もコスト効率の良い方法と言えますが、各ビームフォーミングコントローラは単一のビームでのみ使用できます。デジタルビームフォーミングでは、各アンテナ要素での入力が統合ADCでデジタル信号に変換されます。これにより、受信ビームの方向性再構築がより正確になります。最後に、ハイブリッドビームフォーミングはこれら2種類のビームフォーミングの間のミックスです。

以下に示されている位相配列ビームフォーミングコントローラは、デジタルビームフォーミングがまだ開発および商業化されているため、すべてアナログビームフォーマーコントローラですが、将来的にはこの他のクラスのビームフォーマーが広く利用可能になることが期待されます。

Renesas, F5260AVGK

RenesasによるF5260AVGKビームフォーミングコントローラは、24GHzから28GHzで動作する8チャンネルのアナログビームフォーマーです。これは、例えばバックアップセンサーのような、やや低い方向性を持つ短距離レーダーモジュールのアプリケーションに役立ちます。このコンポーネントは、位相配列アプリケーションで半二重モードと二重偏波で動作します。周波数範囲は、4x4 MIMOを持つ5Gアプリケーションにも役立ちます。各チャンネルには、長距離での正確なビームステアリングを実現するための統合ゲイン制御と精密な位相制御が含まれています。制御は最大50MHzのSPI経由で達成されます。RenesasのF5XXXおよびF6XXXラインには、他の周波数範囲で動作するコンポーネントも利用可能です。

Anokiwave, AWMF-0139

AnokiwaveのAWMF-0139ビームフォーミングICは、5Gにおける大規模MU-MIMOを可能にする別のコンポーネントであり、周波数出力は短距離レーダーやその他の特殊RFアプリケーションに適しています。AWMFシリーズの他のコンポーネントは、最大40 GHzまでの他の周波数範囲をサポートしています。これらのコンポーネントは、半二重通信に必要な細かなゲインと位相制御も提供し、上記のルネサスコンポーネントと競合します。AWMF-0139にとって理想的なアプリケーションには、5Gおよびその他の無線技術のMIMOシステムが含まれます。

Peregrine Semiconductor, PE19601

Peregrine SemiconductorのPE19601ビームフォーミングコントローラーは、ビームフォーミングが必要なXバンドレーダーアプリケーション（8-12 GHz）（例えば、新型車の短距離レーダー）に最適です。このコンポーネントは、高い線形性（OIP3は+40 dBm）での統合増幅を提供し、位相シフトは10ビットの精度で制御されます。各アンテナフィードライン出力間の隔離も非常に高い（50 dB）です。

位相配列ビームフォーミングのためのその他のコンポーネント

RFフロントエンドはこれまで以上に統合され、これまで以上に高い周波数で見られます。位相配列ビームフォーミング制御と受信をボードに設計する必要がある場合、システムに必要なその他のコンポーネントは次のとおりです：

• RFパワーアンプ

• RFアンテナ

• マッチングネットワーク用のパッシブ部品

• RFトランシーバー

位相配列ビームフォーミングコントローラーコンポーネントのおかげで、ビームフォーミングがより簡単になっています。次のRF/無線製品のための新しいビームフォーミングコンポーネントを探す必要がある場合は、Octopartの高度な検索とフィルタリング機能を試してみてください。Octopartは、電子部品の調達とサプライチェーン管理のための完全なソリューションを提供します。統合RF半導体ページを見て、必要なコンポーネントを検索し始めましょう。

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