Проектирование ИС и систем формирования луча фазированных антенных решеток

Как и в других областях применения, интеграция широко распространена и способствовала значительному уменьшению размеров систем. Продукты IoT, телекоммуникации, автомобильная промышленность и многие другие области получают выгоду от интеграции, предоставляемой SoC и другими интегральными схемами. Технологии РЧ, использующие формирование луча, также наблюдают свой уровень интеграции, и фазированный микросхемный формирователь луча - это именно то, что нужно компактной системе для обеспечения формирования луча и, в системах, поддерживающих 5G, MIMO.

5G помог сделать формирование луча новым технологическим сленгом, но формирование луча находит применение и вне телекоммуникаций. Чирп-радар, дальняя беспроводная передача энергии и V2X - это некоторые области, где формирование луча полезно для обеспечения передачи данных/энергии на большое расстояние с направленным управлением. Когда вам нужен фазированный контроль массива в вашей новой системе, рассмотрите один из этих контроллеров формирования луча.

Управление лучом в фазированном формировании луча

Формирование луча с плоской поверхности, такой как печатная плата, может быть достигнуто с помощью фазированного антенного массива. Эти антенны могут быть напечатаны непосредственно на печатной плате или могут быть внешними антеннами (например, антенна типа "резиновая уточка"). Сигнал, отправляемый каждой антенне в массиве, немного сдвигается по фазе, и в результате формируется луч за счет интерференции между каждой антенной. Размещая сигналы, отправляемые разным антеннам, с точно подобранной задержкой, вы можете контролировать направление результирующего луча.

Ваш фазированный микросхемный формирователь луча контролирует эту задержку между различными элементами антенны, тем самым управляя излучаемым лучом. Эти микросхемы - это компоненты РЧ высокой частоты, которые обычно комбинируются с другими компонентами. Ниже приведена типичная архитектура РЧ переднего каскада, интегрированного с формированием луча.

Различные блоки на этой схеме могут быть интегрированы с разными уровнями в различных компонентах. Для контроллера формирования луча некоторые части переднего каскада могут быть интегрированы в микросхему, поэтому будьте осторожны, добавляя дополнительное усиление или фильтрацию на выходе. Формирователь луча может подключаться только к небольшому количеству антенн, поэтому для управления большим массивом требуется несколько микросхем формирования луча, возможно, с несколькими приемопередатчиками. Например, модуль чирп-радара требует всего до 4 центрально питаемых патч-антенн, в то время как система 4x4 или 8x8 MIMO может потребовать огромный массив антенн для обеспечения формирования луча по нескольким каналам. Один РЧ приемопередатчик также может быть использован с переключателем антенн для расширения размера массива.

Фазированный микросхемный формирователь луча легко использовать с временным дуплексом (TDD) или частотным дуплексом (FDD). Для TDD переключатель на конце антенны просто переключает путь сигнала между приемной и передающей сторонами контроллера формирования луча. Для FDD потребуется более творческий подход, поскольку необходимо одновременно отправлять и принимать сигналы в разных диапазонах. Научное сообщество все еще работает над архитектурой микросхем, чтобы обеспечить FDD с формированием луча в едином приемопередатчике. До тех пор есть двухканальные приемопередатчики для радио FDD, которые могут поддерживать управление лучом с несколькими контроллерами формирования луча.

Типы контроллеров формирования луча

На приемной стороне формирование луча бывает двух видов, и вам нужно будет выбрать компоненты, чтобы обеспечить работу с любым типом формирования луча. Отметим, что разные типы формирования луча также влияют на вашу компоновку печатной платы. Эти два типа формирования луча - цифровое и аналоговое.

В аналоговом формировании луча один из сигналов Tx подается на элемент антенны, проходя через элемент сдвига фазы (например, фильтры и усилители). В настоящее время аналоговое формирование луча, возможно, является самым экономически выгодным способом построения массива формирования луча, но каждый контроллер формирования луча может использоваться только с одним лучом. В цифровом формировании луча входной сигнал на каждом элементе антенны преобразуется в цифровой сигнал с помощью интегрированного АЦП. Это обеспечивает более точную реконструкцию направленности принимаемого луча. Наконец, гибридное формирование луча является смесью этих двух типов формирования луча.

Показанные ниже контроллеры формирования луча являются аналоговыми контроллерами формирования луча, поскольку цифровое формирование луча все еще находится в стадии разработки и коммерциализации, ожидайте, что этот другой класс формирователей луча станет широко доступен в будущем.

Renesas, F5260AVGK

Контроллер формирования луча F5260AVGK от Renesas является 8-канальным аналоговым формирователем луча, работающим в диапазоне от 24 до 28 ГГц. Это делает его полезным для приложений, таких как модули короткодействующего радара с относительно низкой направленностью, например, датчики заднего хода. Этот компонент работает в полудуплексном режиме с двойной поляризацией для приложений фазированных антенных решеток. Диапазон частот также полезен в приложениях 5G с 4x4 MIMO. Каждый канал включает в себя интегрированный контроль усиления и точный контроль фазы для точного управления лучом на большие расстояния. Управление осуществляется через SPI со скоростью до 50 МГц. Другие компоненты, работающие в других частотных диапазонах, также доступны в линейках F5XXX и F6XXX от Renesas.

Anokiwave, AWMF-0139

ИС формирования диаграммы направленности AWMF-0139 от Anokiwave является еще одним компонентом, позволяющим реализовать массовое MU-MIMO в 5G, хотя выходная частота подходит для радаров короткого действия или других специализированных РЧ-приложений. Другие компоненты серии AWMF поддерживают другие диапазоны частот до 40 ГГц. Эти компоненты также обеспечивают точное управление усилением и фазой, необходимое для полудуплексной связи, что делает их конкурентоспособными с компонентом Renesas, показанным выше. Идеальные приложения для AWMF-0139 включают системы MIMO для 5G и других беспроводных технологий.

Peregrine Semiconductor, PE19601

Контроллер формирования диаграммы направленности PE19601 от Peregrine Semiconductor идеально подходит для радиолокационных приложений в X-диапазоне (8-12 ГГц), где требуется формирование диаграммы направленности (например, радары ближнего действия в новых автомобилях). Этот компонент предлагает интегрированное усиление с высокой линейностью (OIP3 на уровне +40 дБм) с управлением сдвига фаз с точностью до 10 бит. Также очень высока изоляция между каждым выходом антенной линии (50 дБ).

Другие компоненты для фазированных антенных решеток

РЧ фронт-энды становятся все более интегрированными, и на более высоких частотах, чем когда-либо прежде. Когда вам нужно спроектировать вашу плату с управлением и приемом фазированных антенных решеток, вот некоторые другие компоненты, которые вам понадобятся для вашей системы:

• РЧ усилители мощности

• РЧ антенны

• Пассивные компоненты для согласующих сетей

• РЧ трансиверы

Формирование диаграммы направленности становится проще благодаря компонентам контроллера фазированных антенных решеток. Когда вам нужно найти новые компоненты для формирования диаграммы направленности для вашего следующего РЧ/беспроводного продукта, попробуйте использовать расширенный поиск и функции фильтрации на Octopart. Octopart предлагает вам полное решение для поиска электронных компонентов и управления цепочками поставок. Посмотрите нашу страницу с интегрированными РЧ полупроводниками, чтобы начать поиск необходимых вам компонентов.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.