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Phasengesteuerte Strahlformungs-ICs vereinfachen das Antennendesign: Ausgabe 04/2020, 12.03.2020

Simultanes Übertragen diverser Strahlen

Drahtlose Kommunikations- und Radarsysteme gehen mit einem wachsenden Bedarf an innovativen Antennentechniken einher, um die Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Viele Anwendungen sind nur mit Antennen möglich, die weniger Versorgungsleistung in einem sehr flachen Format benötigen. Phasengesteuerte Antennen erfüllen diese Anforderungen und führen zu einem Paradigmenwechsel.

Autor: Keith Benson, Analog Devices, Inc., Text und Bilder

Seit über 100 Jahren verwenden drahtlose elektronische Systeme für ihren Betrieb Antennen, um Signale zu senden und zu empfangen. Sie werden kontinuierlich verbessert, da die Nachfrage nach höherer Genauigkeit, höherem Wirkungsgrad und zukunftsweisenden Eigenschaften immer wichtiger wird. In den vergangenen Jahren wurden überwiegend Parabolantennen eingesetzt, um Signale mit ausgeprägter Richtcharakteristik zu übertragen (Tx) und zu empfangen (Rx). Viele dieser Systeme arbeiten nach langen Jahren regelmässiger Optimierung auch gut und zu relativ geringen Kosten.
Diese Parabolantennen, die einen mechanischen Dreharm besitzen, um sie in die Abstrahlungsrichtung  zu bringen, haben jedoch einige Nachteile. Neben der physikalischen Grösse ist nur eine langsame Nachführung möglich, und sie haben eine schlechtere Langzeit-Zuverlässigkeit und können nur ein einziges Strahlungsmuster oder einen einzelnen Datenstrom verarbeiten. Aufgrund dieser Einschränkungen haben sich die Entwicklungsingenieure der fortschrittlichen phasengesteuerten Antennentechnik zugewandt, um die Antenneneigenschaften zu verbessern und neue Funktionen hinzuzufügen. Phasengesteuerte Antennen werden elektrisch geführt und bieten, verglichen mit traditionellen mechanisch gesteuerten Antennen, eine Reihe von Vorteilen. Das sind flache Gehäuse und geringe Abmasse, verbesserte Langzeit-Zuverlässigkeit, schnelle Strahlnachführung und das gleichzeitige Übertragen unterschiedlicher Strahlen. Mit diesen Vorteilen sieht man in der Branche Einsatzmöglichkeiten im Militär, der Satellitenkommunikation (SatCom) und der 5GTelekommunikation einschliesslich vernetzter Automobile.

Die phasengesteuerte Antennentechnik Eine phasengesteuerte Antenne ist eine Ansammlung von einzelnen Antennenelementen, die so zusammengefügt sind, dass das Strahlmuster jedes einzelnen Elementes konstruktiv mit den  benachbarten Elementen in der Form kombiniert ist, dass im Ergebnis die sogenannte Hauptkeule entsteht. Diese Hauptkeule überträgt abgestrahlte Energie in die gewünschte Richtung, wobei die Antenne so konstruiert ist, dass Signale aus unerwünschten Richtungen durch Phaseninterferenz eliminiert werden, was zu Nullen und Seitenkeulen führt. Das Antennenarray ist so entwickelt, dass die in der Hauptkeule abgestrahlte Energie maximiert wird, während die abgestrahlte Energie in den Nebenkeulen auf einen akzeptabel niedrigen Pegel reduziert wird. Durch Anpassung der Phasenlage des in die einzelnen Antennenelemente eingespeisten Signals kann die Abstrahlungsrichtung  beeinflusst werden. Das wiederum hängt davon ab, wie man die Phase jedes einzelnen Antennenelements in einem linearen Array justieren kann, um einen effektiven Sendestrahl in der gewünschten Richtung zu erzeugen. Voraussetzung ist, dass jede Antenne im Array eine unabhängige Phasen- und Amplitudeneinstellung hat, um das gewünschte Abstrahlmuster zu erzeugen.

Phaseneinstellungen in Nanosekunden
Die Möglichkeit einer schnellen Führung bzw. Steuerung des Strahls im Array liegt auf der Hand, weil keine mechanisch bewegten Teile vorhanden sind. Auf Halbleiterbausteinen basierende Phaseneinstellungen können in Nanosekunden erfolgen, so dass man die Richtung des abgestrahlten Musters ändern kann, um schnell auf neue Gefährder oder Radarnutzer zu reagieren. Zudem ist es möglich, von einem gesendeten Strahl auf eine effektive Null zu wechseln, um ein Interferenzsignal zu absorbieren. Damit wird dieses Objekt unsichtbar, wie bei einem Tarnkappen-Bomber. Diese Änderungen in der Neupositionierung des Strahlmusters oder der Wechsel zu effektiven Nullen können praktisch unmittelbar erfolgen, weil man die Phaseneinstellung elektrisch mit integrierten Schaltungen vornimmt anstatt mit mechanischen Bauteilen. Ein zusätzlicher Vorteil von phasengesteuerten Antennen gegenüber mechanischen Antennen ist ihre Fähigkeit, gleichzeitig mehrere Strahlen auszusenden, die mehrere Ziele verfolgen oder mehrere Ströme von Nutzerdaten managen können. Dies wird durch die digitale Signalverarbeitung der Datenströme im Basisband ermöglicht.

Grundlegende Gleichungen, um Parameter zu berechnen
Es gibt einen Zielkonflikt zwischen der Grösse des Antennenarrays und der Leistung jedes einzelnen abstrahlenden Elements, welches die Richtung des Strahls und die effektiv abgestrahlte Leitung beeinflusst. Die Antennenleistungsfähigkeit kann bestimmt werden, indem man einige allgemeine Leistungsparameter betrachtet. Häufig konzentrieren sich Antennenentwickler dabei auf den Antennengewinn und die effektive isotrop abgestrahlte Leistung (EIRP) und auch das Gt/Tn. Es gibt einige grundlegende Gleichungen, die man benutzen kann, um diese Parameter zu berechnen. Man erkennt dabei, dass der Antenengewinn und die EIRP direkt proportio nal zur Anzahl der Antennen im Array sind. Dies kann zu grossen Arrays führen, wie man sie in Applikationen in Bodenradaranlagen findet.

Spiegelkeulen vermeiden
Ein weiterer Schlüsselparameter von phasengesteuerten Antennen ist der Abstand der Antennenelemente. Hat man das Systemziel mit der Anzahl der Elemente bestimmt, werden die physikalischen Array-Abmessungen in erster Linie vom Durchmesser jeder Einzelzelle festgelegt. Deren Durchmesser muss weniger als rund die halbe Wellenlänge betragen,  um Spiegelkeulen (grating lobes) zu vermeiden. Spiegelkeulen tragen zu jener Energie bei, welche in unerwünschte Richtungen abgestrahlt wird. Diese Ausdehnungsbegrenzung führt im Antennenarray zu strengen Anforderungen an die Elektronik, welche klein, verbrauchsarm und leicht sein muss. Die Abstände mit halber Wellenlänge sind besonders bei höheren Frequenzen herausfordernd, wenn die Fläche jeder Elementarzelle kleiner wird. Dies erfordert bei höheren Frequenzen zunehmend höher integrierte Lösungen, zudem muss das Wärmemanagement vereinfacht werden – unbenommen der auch sonst steigenden Anforderungen.

Architektur zugunsten des Flachantennen-Ansatzes
Wenn man die gesamte Antenne entwickelt, gibt es viele Herausforderungen beim Design des Arrays, wie das Routen der Steuerleitungen, das Stromversorgungsmanagement, Schaltungen für den gepulsten Betrieb, das Wärmemanagement, Umweltbedingungen, etc. Es gibt in der Branche eine deutliche Tendenz hin zu kleinen, flachen und leichten Arrays. Die traditionelle Architektur (plank architecture) verwendet kleine mit Elektronik bestückte Leiterplatten, die rechtwinklig in die Rückseite der Antennenleiterplatte eingesteckt werden. Diese Methode wurde in den letzten 20 Jahren immer weiter verbessert und die Abmasse dieser Baugruppe immer weiter reduziert, und damit auch die Bauhöhe der Antenne. Die nächste Design-Generation verlässt dieser Architektur zugunsten eines Flachantennen-Ansatzes, für den jetzt eine genügend hohe Integration erreicht ist. So kann jedes IC direkt auf die Rückseite der Antennenbaugruppe bestückt werden, was die Höhe der Antenne signifikant verringert, weshalb sie nun einfacher in portablen oder Luftfahrtapplikationen eingesetzt werden kann. Da immer mehr Elektronikfunktionalität auf einer kleineren Fläche komprimiert wird, erfordert die Antennenentwicklung neue Halbleitertechnologien, die helfen, diese Lösungen zu realisieren.

Digitale Strahlformung im Vergleichzur analogen
Die meisten phasengesteuerten Array-Antennen, die in den vergangenen Jahren entwickelt wurden, nutzen die analoge Strahlformung, bei welcher die Phaseneinstellung bei HF- oder Zwischenfrequenzen erfolgt und es einen einzigen Satz Datenwandler für die gesamte Array-Antenne gibt. Es besteht jedoch ein wachsendes Interesse an der digitalen Strahlformung, bei der ein Satz Datenwandler pro Antennenelement eingesetzt wird, und die Phaseneinstellung digital in einem FPGA oder in speziell angepassten Datenwandlern erfolgt. Es gibt viele Vorteile der digitalen Strahlformung, angefangen bei der Fähigkeit zeitgleich mehrere Strahlkeulen zu übertragen oder deren Anzahl nahezu verzögerungsfrei zu ändern. Diese bemerkenswerte Flexibilität ist für viele Anwendungen attraktiv und fördert den zunehmenden Einsatz des digitalen Strahlformens. Kontinuierliche Verbesserungen der Datenwandler verringern die Verlustleistung und erlauben höhere Frequenzen, wobei die Abdeckung des L- und S-Bandes diese Technik auch für Radarsysteme geeignet macht.

Hybride Strahlformmethode als verbreiteter Kompromiss
Es gibt einige Faktoren beim Vergleich der analogen mit der digitalen Strahlformung zu betrachten, doch die Grundentscheidung wird meist von der Anzahl der erforderlichen Strahlen, der Verlustleistung und den Kosten bestimmt. Die Methode des digitalen Strahlformens hat mit einem Datenwandler pro Element üblicherweise einen höheren Leistungsbedarf, bietet aber eine grosse Flexibilität bei der einfachen Erzeugung mehrfacher Strahlen. Die Datenwandler benötigen ebenfalls einen höheren Dynamikbereich, da ein Strahlformen, welches Blocker abweist, erst nach der Digitalisierung ausgeführt werden kann. Das analoge Strahlformen kann ebenfalls multiple Strahlen generieren, benötigt dazu aber pro Strahl einen zusätzlichen Phasenjustierkanal. Um z.B. ein System mit 100 Strahlen zu kreieren, würde sich die Anzahl von HF-Phasenschiebern gegenüber einem Einstrahlsystem um 100 multiplizieren. Damit kann beim Vergleich die Kostenwaage  Datenkonverter gegenüber Phasenjustier-ICs abhängig von der Anzahl der Strahlen kippen. Die Verlustleistung für eine analoge Strahlformmethode mit passiven Phasenschiebern ist üblicherweise geringer; steigt aber die Anzahl der Kanäle, so steigt auch die Verlustleitung, da zusätzliche Verstärkungsstufen nötig sind, um das Verteilungsnetzwerk zu treiben. Ein verbreiteter Kompromiss ist deshalb eine hybride Strahlformmethode, bei der Subarrays mit analoger Strahlformung eingesetzt werden, anschliessend werden die Signale der Subarrays auf digitaler Ebene kombiniert.

Halbleitertechnik erweitert Spektrum
Ein gepulstes Standard-Radarsystem überträgt ein Signal, das von einem Objekt reflektiert wird, wobei das Radar auf den reflektierten Puls wartet, um ihn in das Sichtfeld der Antennen abzubilden. In den vergangenen Jahren war dieses Antennen-Front-end mit diskreten Komponenten aufgebaut, welche meistens auf der Galliumarsenid-Technologie basierten. Die integrierten Schaltungskomponenten, welche als Funktionsblöcke für diese phasengesteuerten Antennen verwendet wurden, bestehen aus einem Phasenschieber, um die Phase jedes Antennenelements einzustellen (was letztendlich die Antenne steuert), einem Abschwächer, welcher den Pegel des Eingangssignales anpasst, einem Leistungsverstärker für das Sendesignal und einem rauscharmen Vorverstärker zum Empfangen des Signals sowie einem Schalter, um zwischen Sende- und Empfangsmodus zu wechseln. In älteren Implementierungen sass jedes dieser ICs einzeln in einem 5 × 5 mm gros- sen Gehäuse, neuere Lösungen verwendeten je Kanal ein monolithisch integriertes GaAsIC, um diese Funktion zu realisieren.

Realisierung in einem monolithischen Silizium-basierten IC
Die stark zunehmende Verbreitung von phasengesteuerten Antennen wurde durch die Halbleitertechnik ermöglicht. Die fortschrittlichen Prozessgeometrien bei Si-BiCMOS, SOI (Silicon on insulator) und Bulk-CMOS ermöglichen in einem einzelnen IC die Kombination der digitalen Steuerung inklusive HF-Pfad samt Phasen- und Amplitudeneinstellungen in einem einzigen IC. Es ist heute möglich, mehrkanalige phasengesteuerte ICs zu realisieren, welche Verstärkung und Phase in einer vierkanaligen Konfiguration für bis zu 32 Kanäle einstellen, das Ganze ausgelegt auf Millimeterwellen-Anwendungen. Für Anwendungen mit geringer Verlustleistung können die aufgezählten Funktionen komplett in einem monolithischen Silizium-basierten IC realisiert werden. Hochleistungsanwendungen haben Gallium-Nitrid basierte Leistungsverstärker (PA) die Leistungsdichte derart erhöht, dass sie nun in die Einheitszelle von phasengesteuerten Antennen passen. Traditionell kamen in Leistungsverstärkern entweder Wanderfeldröhren (travelling wave tubes, TWT) zum Einsatz oder relativ verlustleistungsarme PAs auf GaAs-Basis.

Die phasengesteuerten Antennen-Aarray-ICs von Analog Devices
Analog Devices hat integrierte analoge strahlformende ICs entwickelt, die auf den Einsatz in einer ganzen Reihe von Applikationen abzielen, wie Radar, Satellitenkommunikation und 5G-Telekommunikation. Das strahlformende IC ADAR1000 für das X-/Ku-Band ist ein vierkanaliger Baustein für der Betrieb im Time-Division-Duplex-Modus (TDD) im Frequenzbereich von 8 GHz bis 16 GHz. Dabei sind alle Sender und Empfänger in dem IC integriert. Dies ist ideal sowohl für X-BandRadar- als auch für Ku-Band-SatCom-Anwendungen, wofür das IC derart konfiguriert werden kann, dass es nur als Sender oder als Empfänger arbeitet. Das vierkanalige IC ist in einem 7 mm x 7 mm grossen oberflächenmontierbaren QFN-Gehäuse eingebaut, damit es sich einfach in flache Antennen-Arrays integrieren lässt. Es verbraucht dabei im Sendebetrieb nur 240 mW/Kanal sowie 160 mW/ Kanal im Empfangsmodus. Die Sende- und Empfangskanäle sind nach aussen herausgeführt, angepasst auf eine direkte Verbindung mit einem Front-End-Modul (FEM) zu verbinden, welches Analog Devices dazu passend anbietet.

Vereinfachte Kalibrierung
Der ADAR1000 besitzt einen internen Speicher, um bis zu 121 Strahlzustände abzuspeichern. Ein Zustandswert umfasst alle Phasen- und Verstärkungseinstellungen für das gesamte IC. Der Sender bietet eine Verstärkung von ungefähr 19 dB mit 15 dBm Sättigungsleistung, wohingegen die Empfängerverstärkung rund 14 dB beträgt. Ein weiterer Schlüsselparameter ist der Phasengang über dem gewählten Verstärkungsfaktor, welcher rund 3° über den Bereich von 20 dB beträgt. Ähnlich liegt die Rückwirkung auf die Verstärkung bei Phasensteuerung bei etwa 0,25 dB über der gesamten 360°-Phasenabdeckung, was insgesamt die Kalibrierung des Bausteins vereinfacht.
Das strahlformende IC ist für analoge phasengesteuerte Applikationen oder hybride Array-Architekturen entwickelt, die das analoge Formen des Sendestrahls mit digitalem Strahlformen kombinieren. Analog Devices bietet eine vollständige Systemlösung von der Antenne bis zur Bit-Ebene an. Diese umfasst Datenwandler-, Frequenzumsetzungs- und analoge Strahlform-ICs, dazu auch komplette Front-End Module. Die kombinierten Chip-Sätze von Analog Devices erlauben es, Funktionen zu kombinieren und die ICs optimal zu wählen, womit die Anwender ein Antennendesign einfacher implementieren können.

Infoservice
Analog Devices
Wilhelm-Wagenfeld-Strasse 6, DE-80754 München
Tel. 0049 89 769 030, Fax 0049 89 769 03 157
cic@analog.com, www.analog.com

 



Darstellung der grundlegenden Theorie eines phasengesteuerten Antennenelements


Ein flaches Antennendesign zeigt die Antennen auf der Oberseite und die ICs auf der Unterseite der Baugruppe