L'ingegnere

May 20, 2023

Pietro Delos

Responsabile della sezione di progettazione, Dispositivi analogici

introduzione

Stiamo assistendo a un momento storico per l'elettronica a radiofrequenza (RF) nelle applicazioni Phased Array. I rapidi progressi nel settore wireless hanno favorito l’integrazione e la miniaturizzazione dell’elettronica RF. Molte applicazioni ora raccolgono i benefici di questi risultati. L'integrazione di grandi sezioni della catena del segnale in circuiti integrati completi (IC) ha consentito soprattutto l'impiego di antenne Phased Array. Stanno proliferando nuovi sistemi con implementazioni di beamforming analogico o digitale alimentate dalle recenti versioni di circuiti integrati nei mercati più ampi.

Presso Analog Devices riceviamo regolarmente domande e richieste di interviste da clienti ed editori. Il portafoglio completo che offre una soluzione antenna-bit che spazia da RF a convertitori ad alta velocità, ricetrasmettitori, PLL e alimentazione, insieme all'integrazione avanzata, ha creato una competenza nell'architettura di sistema. C'è molta curiosità riguardo ai nostri sviluppi che coprono l'intera catena del segnale RF e che consentiranno gli array a fasi del futuro.

Questo articolo riassume alcune delle richieste di routine sparse in varie forme su Internet in una discussione più completa. Iniziamo con una breve storia dell'evoluzione del Phased Array, discutiamo le tendenze e le sfide dell'architettura, offriamo informazioni sulla nostra visione degli sviluppi recenti e offriamo collegamenti ad articoli e webcast che forniscono maggiori dettagli su vari argomenti.

Cominciamo con l'evoluzione degli array a fasi. Come siamo arrivati ​​qui?

Gran parte del lavoro iniziale del Phased Array è stato sviluppato per applicazioni radar, pertanto, considerando l'evoluzione delle implementazioni delle antenne radar, è possibile ottenere una buona visione di come sono state concepite le moderne antenne di beamforming digitale. Per necessità, un significativo sviluppo del radar fu accelerato durante e dopo la seconda guerra mondiale. Dopo la seconda guerra mondiale, la maggior parte della matematica utilizzata oggi per l’elaborazione delle forme d’onda e dei radar è stata elaborata in vari laboratori e organizzazioni governative.

Un'importante tecnica di elaborazione radar è la compressione degli impulsi. La compressione degli impulsi è abilitata dalle scelte della forma d'onda come le modulazioni di frequenza lineari (LFM) e i codici di fase in cui l'impulso all'uscita del filtro adattato è molto più breve dell'impulso trasmesso. La quantità di compressione dell'impulso è direttamente correlata alla larghezza di banda del segnale. Tutto questo fu documentato e compreso negli anni '60. Alcuni dicono che il radar sia nato con la compressione degli impulsi. Una volta compresa la matematica, gli sviluppi estesi dell'implementazione sono continuati e alla fine hanno portato al moderno Phased Array.

Le prime implementazioni prevedevano antenne paraboliche rotanti con RF ad alta potenza generata in amplificatori a valvole. Le antenne rotanti furono poi sostituite con le prime antenne a schiera, utilizzate per radar ad altissime prestazioni. Gli amplificatori ad alta potenza (HPA) a tubi rimasero e il flusso del segnale di trasmissione era: HPA a tubi → distribuzione in guida d'onda → sfasatori → elementi radianti. Il beamforming era un sistema tutto analogico. Alla ricezione potevano essere realizzati diversi schemi di raggi, ma il processo era complesso e costoso, quindi era generalmente limitato a pochi raggi. In questo modo potrebbero essere implementati sistemi di antenne per radar monopulse. Il primo passo verso i Phased Array a stato solido è stata l'introduzione di moduli di trasmissione/ricezione (T/R) distribuiti su ogni elemento, con le prime implementazioni che utilizzavano ancora il beamforming analogico con un'elaborazione backend simile. Il modulo T/R è costituito da un HPA a stato solido per la trasmissione, un amplificatore a basso rumore (LNA) per la ricezione e un circolatore o un interruttore per controllare la direzione dell'energia RF (trasmissione o ricezione) dall'antenna.

L'attuale transizione in corso è la migrazione verso gli array a fasi con beamforming digitale. Architetture ibride costituite da sottoarray analogici con beamforming, quindi ricevitori e ADC dietro ogni sottoarray, consentono al beamforming digitale di formare molti fasci all'interno del modello di sottoarray. Gli array di fasi digitali di ogni elemento includono ricevitori e generatori di forme d'onda dietro ogni elemento. L'array a fasi beamformed digitale di ogni elemento consente la realizzazione di modelli di antenne veramente definiti dal software. Molti fasci possono essere formati simultaneamente in molte direzioni diverse e i modelli di antenna possono essere controllati in modo adattivo, compresi i valori nulli. Grazie alla programmabilità a livello di sistema, gli array di fasi digitali costituiti da ogni elemento sono diventati l'obiettivo di molti architetti di antenne.