Projektowanie układów i systemów formowania wiązki w technologii phased array

Tak jak w innych obszarach zastosowań, integracja jest wszechobecna i przyczyniła się do drastycznego zmniejszenia rozmiarów systemów. Produkty IoT, telekomunikacja, motoryzacja i wiele innych obszarów korzysta z integracji zapewnianej przez SoC i inne układy scalone. Technologie RF, które polegają na kształtowaniu wiązki, doświadczają własnego poziomu integracji, a układ scalony do kształtowania wiązki w układzie fazowym jest właśnie tym, czego kompaktowy system potrzebuje do zapewnienia kształtowania wiązki i, w systemach zdolnych do obsługi 5G, MIMO.

5G pomogło uczynić kształtowanie wiązki nowym modnym terminem technologicznym, ale kształtowanie wiązki ma zastosowania poza telekomunikacją. Radar z modulacją częstotliwości, dalekosiężny bezprzewodowy transfer energii i V2X to niektóre obszary, gdzie kształtowanie wiązki jest przydatne do zapewnienia dłuższego zasięgu transferu danych/mocy z kontrolą kierunkową. Kiedy potrzebujesz kontroli układu fazowego w swoim nowym systemie, rozważ jeden z tych kontrolerów kształtowania wiązki.

Kontrola wiązki w kształtowaniu wiązki w układzie fazowym

Kształtowanie wiązki z płaskiej powierzchni, takiej jak PCB, można osiągnąć za pomocą fazowej anteny. Te anteny mogą być bezpośrednio drukowane na PCB lub mogą być zewnętrznymi antenami (np. antena gumowa). Sygnał wysyłany do każdej anteny w tablicy jest lekko przesunięty fazowo, a powstała wiązka jest formowana dzięki interferencji między każdą anteną. Umieszczając właściwe opóźnienie między sygnałami wysyłanymi do różnych anten, możesz kontrolować kierunek powstałej wiązki.

Twój układ scalony do kształtowania wiązki w układzie fazowym kontroluje to opóźnienie między różnymi elementami anteny, tym samym kontrolując emitowaną wiązkę. Są to komponenty RF o wysokiej częstotliwości, które zwykle są łączone z innymi komponentami. Poniższy schemat blokowy pokazuje typową architekturę front-endu RF zintegrowanego z kształtowaniem wiązki.

Różne bloki w tym schemacie mogą być zintegrowane na różnych poziomach w różnych komponentach. Dla kontrolera kształtowania wiązki, niektóre części front-endu mogą być zintegrowane w układzie scalonym, więc bądź ostrożny dodając dodatkowe wzmocnienie lub filtrację na wyjściu. Kształtujący wiązkę może być połączony tylko z małą liczbą anten, więc kontrolowanie większej tablicy wymaga wielu układów scalonych do kształtowania wiązki, możliwie z wieloma przemiennikami. Moduł radaru z modulacją częstotliwości potrzebuje tylko do 4 anten z zasilaniem centralnym, podczas gdy system MIMO 4x4 lub 8x8 może potrzebować ogromnej tablicy anten do zapewnienia kształtowania wiązki na wielu kanałach. Pojedynczy przemiennik RF mógłby być użyty z przełącznikiem anten do rozszerzenia rozmiaru tablicy również.

Układ scalony do formowania wiązki w układzie fazowanym jest łatwy w użyciu z duplexowaniem w dziedzinie czasu (TDD) lub duplexowaniem w dziedzinie częstotliwości (FDD). W przypadku TDD, przełącznik na końcu anteny po prostu przełącza ścieżkę sygnału między stronami Rx i Tx kontrolera formowania wiązki w układzie fazowanym. Dla FDD, będziesz musiał zastosować bardziej kreatywne podejście, ponieważ będziesz musiał wysyłać i odbierać w różnych pasmach jednocześnie. Społeczność naukowa nadal pracuje nad architekturą układu scalonego, aby umożliwić FDD z formowaniem wiązki w pojedynczej jednostce nadawczo-odbiorczej. Do tego czasu, dostępne są dwukanałowe jednostki nadawczo-odbiorcze dla radia FDD, które mogą obsługiwać kontrolę wiązki z wieloma kontrolerami formowania wiązki w układzie fazowanym.

Typy kontrolerów formowania wiązki

Od strony odbiorczej, formowanie wiązki występuje w dwóch odmianach, i będziesz musiał wybrać swoje komponenty tak, aby pasowały do jednego z typów formowania wiązki. Zauważ, że różne typy formowania wiązki wpływają również na układ Twojej płytki PCB. Te dwa typy formowania wiązki to formowanie wiązki analogowe i cyfrowe.

W formowaniu wiązki analogowym, jeden z sygnałów Tx jest podawany do elementu anteny przez element przesuwający fazę, (np. filtry i wzmacniacze). Obecnie, formowanie wiązki analogowe jest prawdopodobnie najbardziej opłacalnym sposobem budowy tablicy formowania wiązki, ale każdy kontroler formowania wiązki może być używany tylko z pojedynczą wiązką. W formowaniu wiązki cyfrowym, sygnał wejściowy w każdym elemencie anteny jest konwertowany na sygnał cyfrowy z zintegrowanym przetwornikiem ADC. Daje to bardziej dokładną rekonstrukcję kierunkowości odbieranej wiązki. Wreszcie, hybrydowe formowanie wiązki jest mieszanką tych dwóch typów formowania wiązki.

Poniżej przedstawione kontrolery formowania wiązki w układzie fazowanym są wszystkie kontrolerami formowania wiązki analogowego, ponieważ formowanie wiązki cyfrowe jest nadal rozwijane i komercjalizowane, spodziewaj się, że ta inna klasa formowania wiązki stanie się powszechnie dostępna w przyszłości.

Renesas, F5260AVGK

Kontroler formowania wiązki F5260AVGK od Renesas to 8-kanałowy analogowy formator wiązki pracujący w zakresie od 24 do 28 GHz. Sprawia to, że jest on użyteczny w aplikacjach takich jak moduły radarowe krótkiego zasięgu z dość niską kierunkowością, np. czujniki cofania. Ten komponent pracuje w trybie półdupleksowym z podwójną polaryzacją dla aplikacji w układzie fazowanym. Zakres częstotliwości jest również użyteczny w aplikacjach 5G z 4x4 MIMO. Każdy kanał zawiera zintegrowaną kontrolę wzmocnienia i precyzyjną kontrolę fazy dla dokładnego sterowania wiązką na długim dystansie. Kontrola jest realizowana przez SPI do 50 MHz. Dostępne są również inne komponenty pracujące w innych zakresach częstotliwości w linii F5XXX i F6XXX od Renesas.

Anokiwave, AWMF-0139

Układ AWMF-0139 do formowania wiązki od Anokiwave to kolejny komponent umożliwiający masowe MU-MIMO w 5G, chociaż wyjście częstotliwości jest odpowiednie dla radarów krótkiego zasięgu lub innych specjalistycznych zastosowań RF. Inne komponenty z serii AWMF obsługują inne zakresy częstotliwości do 40 GHz. Te komponenty zapewniają również precyzyjną kontrolę wzmocnienia i fazy, która jest potrzebna do komunikacji półdupleksowej, co czyni je konkurencyjnymi w stosunku do komponentu Renesas pokazanego powyżej. Idealne zastosowania dla AWMF-0139 obejmują systemy MIMO dla 5G i innych technologii bezprzewodowych.

Peregrine Semiconductor, PE19601

Kontroler formowania wiązki PE19601 od Peregrine Semiconductor jest idealny do zastosowań w radarach pasma X (8-12 GHz), gdzie wymagane jest formowanie wiązki (np. radar krótkiego zasięgu w nowych samochodach). Ten komponent oferuje zintegrowane wzmocnienie z wysoką liniowością (OIP3 na poziomie +40 dBm) z kontrolą przesunięć fazowych z dokładnością 10 bitów. Izolacja między każdym wyjściem linii zasilającej anteny jest również bardzo wysoka (50 dB).

Inne komponenty do fazowego formowania wiązki

Fronty RF są integrowane bardziej niż kiedykolwiek wcześniej i na wyższych częstotliwościach niż kiedykolwiek wcześniej. Kiedy potrzebujesz zaprojektować swoją płytę z kontrolą i odbiorem formowania wiązki fazowej, oto inne komponenty, których będziesz potrzebować do swojego systemu:

• Wzmacniacze mocy RF

• Anteny RF

• Pasywne elementy do sieci dopasowujących

• Transceivery RF

Formowanie wiązki staje się łatwiejsze dzięki komponentom kontrolerów formowania wiązki fazowej. Kiedy potrzebujesz znaleźć nowe komponenty do formowania wiązki dla swojego kolejnego produktu RF/bezprzewodowego, spróbuj użyć zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtrowania w Octopart. Octopart oferuje kompleksowe rozwiązanie do pozyskiwania elektroniki i zarządzania łańcuchem dostaw. Zapoznaj się z naszą stroną zintegrowanych półprzewodników RF, aby zacząć szukać potrzebnych komponentów.

Zostań na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.