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1-2021

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Antennen IC-Integration

Antennen IC-Integration ermöglicht Antennen-Designs mit Flat-Panel-Phased-Arrays In diesem Artikel wird beschrieben, wie Fortschritte bei Phased- Array-Chipsätzen planare Phased-Array- Antennen ermöglichen, einschließlich einiger Beispiele. Analog Devices www.analog.com www.analog.com/phasedarray Bild 1: Abstand der Antennenelemente zur Vermeidung von Gitterkeulen bei 60° außerhalb der Hauptachse Fortschritte in der Halbleitertechnologie haben zu einer branchenweiten Verbreitung von Phased-Array-Antennen geführt. Von Mechanik zu aktiver Elektronik Diese Verlagerung von der mechanisch gesteuerten Antenne hin zur aktiven, elektronisch gescannten Antenne (AESA) begann vor Jahren in militärischen Anwendungen, hat sich aber in jüngster Zeit in der mobilen Satcom- und 5G-Kommunikation rasch weiterentwickelt. Die flachen AESA-Antennen bieten Vorteile wie schnelle Steuerbarkeit, Möglichkeit zur Erzeugung verschiedener Strahlungsdiagramme sowie höhere Zuverlässigkeit. Allerdings erforderten diese Antennen erhebliche Fortschritte in der IC-Technologie, bevor sie auf breiter Basis verfügbar gemacht werden konnten. Planare Phased Arrays erfordern Bausteine, die mit einem hohen Integrationsgrad, niedrigem Stromverbrauch und hohem Wirkungsgrad arbeiten, sodass diese Komponenten hinter dem Antennenarray untergebracht werden können, wobei die erzeugte Abwärme auf einem vertretbaren Niveau gehalten werden muss. Bild 2: Flaches Antennenarray, bei dem sowohl die Antennen auf der Oberseite einer Leiterplatte als auch die ICs auf der Rückseite einer Antennenleiterplatte zu sehen sind Technische Einführung in die Thematik In vergangenen Jahren wurden vielfach Parabolantennen zum Senden und Empfangen von Signalen verwendet, bei denen die Richtwirkung entscheidend ist. Viele dieser Systeme funktionieren gut und sind nach Jahren der Optimierung relativ kostengünstig. Diese mechanisch gesteuerten Parabolantennen haben jedoch einige Nachteile. Sie sind baulich groß, langsam zu steuern, weisen eine schlechtere Langzeitzuverlässigkeit auf und bieten nur ein gewünschtes Strahlungsdiagramm beziehungsweise einen Datenstrom. 26 hf-praxis 1/2021

Antennen Bild 3: Die IC-Komponenten für Mikrowellen und Millimeterwellen (mmW), die als Bausteine für eine Phased-Array- Antenne verwendet werden Phased-Array-Antennen werden elektrisch gesteuert und bieten zahlreiche Vorteile wie beispielsweise ein flacheres Profil, geringeres Volumen, verbesserte Langzeitzuverlässigkeit, schnellere Steuerung und mehrere gerichtete Strahlen. Ein wichtiger Aspekt beim Entwurf von Phased-Array-Antennen ist der Abstand der Antennenelemente. Der für die meisten Arrays erforderliche Elementabstand von etwa einer halben Wellenlänge führt zu besonders anspruchsvollen Designs bei höheren Frequenzen. Dies führt dazu, dass die ICs bei höheren Frequenzen immer zunehmend integriert werden und Gehäuselösungen immer fortschrittlicher werden. Die Phased-Array-Technologie In der Branche gibt es einen starken Trend hin zu flachen Arrays mit weniger Volumen und Gewicht. Bei der klassischen Platinenarchitektur werden im Wesentlichen kleine Leiterplatten mit entsprechender Elektronik verwendet, die senkrecht in die Rückseite der Antennenleiterplatte eingeführt werden. Dieser Ansatz wurde in den letzten 20 Jahren verbessert, um die Größe der Platinen kontinuierlich zu verringern und dadurch die Tiefe der Antenne zu reduzieren. Die Antennenkonstruktionen der neusten Generation bewegen sich von dieser Platinenarchitektur hin zu einem Flachantennenansatz. Flachantennenkonstruktionen verringern die Tiefe von Antennen erheblich, wodurch diese leichter in tragbare oder Luftfahrtanwendungen eingebaut werden können. Um kleinere Abmessungen zu erreichen, ist eine hinreichende Integration in den einzelnen ICs erforderlich, um diese auf der Rückseite der Antenne unterbringen zu können. Bei planaren Arraykonstruktionen ist der für ICs verfügbare Platz auf der Rückseite der Antenne durch den Abstand der Antennenelemente begrenzt. Beispielsweise liegt der maximale Abstand zwischen den Antennenelementen zur Verhinderung von Gitterkeulen bis zu einem Abtastwinkel von 60° bei 0,54 Lambda. Bild 1 zeigt diesen maximalen Elementabstand in Zoll in Abhängigkeit von der Frequenz. Je höher die Frequenz, desto kleiner wird der Abstand zwischen den Elementen, sodass hinter der Antenne wenig Platz für Komponenten bleibt. Bild 2 zeigt links die Gold- Patch-Antennenelemente auf der Oberseite der Leiterplatte und rechts das analoge Frontend der Antenne auf der Unterseite der Leiterplatte. Eine Frequenzumsetzungsstufe und ein Verteilungsnetz auf zusätzlichen Lagen sind ebenfalls typisch für diese Designs. Es ist leicht zu erkennen, dass höherintegrierte ICs die Herausforderungen hinsichtlich des Layouts der Antennenkonstruktion mit dem erforderlichen Abstand deutlich verringern. Da die Antennen immer kleiner werden und mehr Elektronik auf kleinerer Grundfläche untergebracht werden muss, sind neue Halbleiter- und Gehäusetechnologien erforderlich, um diese Lösungen praktikabel zu machen. Halbleitertechnologie und Gehäusetechnik Die IC-Komponenten für Mikrowellen und Millimeterwellen (mmW), die als Bausteine für eine Phased-Array-Antenne verwendet werden, sind in Bild 3 Es besteht großes Interesse an der Nutzung der Phased-Array- Antennentechnologie für verschiedene Anwendungen. Allerdings waren die Ingenieure bei der Realisierung bisher durch die verfügbaren ICs eingeschränkt. Dies ist aufgrund der jüngsten Entwicklungen bei IC-Chipsätzen nicht mehr der Fall. Die Halbleitertechnologie bewegt sich in Richtung fortschrittlicher Silizium-ICs, bei denen sich digitale Steuerungen, Speicher und HF-Transistoren auf ein und demselben IC kombinieren lassen. Zudem lässt sich mit Galliumnitrid (GaN) die Leistungsdichte von Leistungsverstärkern deutlich erhöhen, dies bei viel kleinerer Grundfläche. Bild 4: Funktionsblockdiagramm ADAR1000 hf-praxis 1/2021 27

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