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11-2019

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Bauelemente Bild 5:

Bauelemente Bild 5: Tx-Gewinn/Rückflussdämpfung und Phase/Verstärkungssteuerung bei einer Frequenz von 11,5 GHz Antenne signifikant verringert, weshalb sie sich nun einfacher in portablen oder Luftfahrt- Applikationen einsetzen lässt. In Bild 2 sind die vergoldeten Flachantennenelemente auf der Oberseite der Leiterplatte gezeigt und in Bild 3 sieht man das analoge Frontend auf der Unterseite. Dies ist nur ein Teilbereich der Antenne; es könnte z.B. noch eine Frequenzumsetzstufe an einem Ende der Antenne geben und ein Verteilungsnetzwerk, um einen einzigen HF-Eingang in das gesamte Array zu routen. Es ist leicht zu erkennen, dass hochintegrierte ICs die Schwierigkeiten im Antennendesign signifikant reduzieren und dass die Antenne damit kompakter wird. Da immer mehr Elektronikfunktionalität auf einer kleineren Fläche komprimiert wird, erfordert die Antennenentwicklung neue Halbleitertechnologien. Digitale vs. analoge Strahlformung Die meisten phasengesteuerten Arrayantennen, die in den vergangenen Jahren entwickelt wurden, nutzen die analoge Strahlformung, bei welcher die Phaseneinstellung bei der HF oder Zwischenfrequenzen erfolgt und wo es einen einzigen Satz Datenwandler für die gesamte Antenne gibt. Es besteht jedoch ein wachsendes Interesse an der digitalen Strahlformung, bei der ein Satz Datenwandler pro Antennenelement eingesetzt wird und wo die Phaseneinstellung digital in einem FPGA oder in speziell angepassten Datenwandlern erfolgt. Das hat mehrere Vorteile, angefangen bei der Fähigkeit, zeitgleich mehrere Strahlkeulen zu bilden oder deren Anzahl nahezu verzögerungsfrei zu ändern. Diese bemerkenswerte Flexibilität ist für viele Anwendungen attraktiv. Kontinuierliche Verbesserungen der Datenwandler verringern die Verlustleistung und erlauben höhere Frequenzen, wobei die Abdeckung des L- und S-Bands diese Technik auch für Radarsysteme geeignet macht. Es gilt, 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, zudem benötigen die Wandler einen hohen Dynamikbereich, da ein Strahlmuster, welches Störer abweist, erst nach der Digitalisierung ausgeführt werden kann. Das analoge Verfahren 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 Methode mit passiven Phasenschiebern ist üblicherweise geringer; steigt aber die Anzahl der Kanäle, so steigt auch die Verlustleitung, da zusätzliche Verstärkungsstufen nötig sind. Ein verbreiteter Kompromiss ist deshalb eine hybride Methode, bei der Subarrays mit analoger Strahlformung eingesetzt werden, anschließend werden deren Signale auf digitaler Ebene kombiniert. Dies ist eine Methode, die ein wachsendes Interesse hervorruft und sich in den nächsten Jahren noch wesentlich weiterentwickeln wird. Halbleitertechnik Ein gepulstes Standard-Radarsystem überträgt ein Signal, welches von einem Objekt reflektiert wird, wobei das Radar auf den reflektierten Puls wartet, um ihn im Sichtfeld der Antennen abzubilden. In den vergangenen Jahren war dieses Antennen-Frontend mit diskreten Komponenten aufgebaut, welche meistens auf Galliumarsenid basierten. Die integrierten Schaltungskomponenten, welche als Funktionsblöcke für diese phasengesteuerten Antennen verwendet wurden, sind in Bild 4 dargestellt. Sie bestehen aus einem Phasenschieber, um die Phase jedes Antennenelements einzustellen (was leztendlich 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 x 5 mm großen Gehäuse; neuere Lösungen verwenden je Kanal ein monolithisch integriertes GaAs-IC. Die stark zunehmende Verbreitung von phasengesteuerten Antennen wurde erst durch die modernste Halbleitertechnik ermöglicht. Die fortschrittlichen 30 hf-praxis 11/2019

Bauelemente Bild 6: Weitere Informationen über die Eigenschaften der phasengesteuerten Antennen-Arrays gibt es auf analog.com/phasedarray Prozessgeometrien bei Si-BiC- MOS, SOI (Silicon on Insulator) und Bulk-CMOS ermöglichen in einem einzelnen IC die Kombination der digitalen Steuerung inklusive HF-Pfad samt Phasenund Amplitudeneinstellungen in einem einzigen IC. Man kann heute mehrkanalige phasengesteuerte ICs 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 lassen sich die aufgezählten Funktionen komplett in einem monolithischen siliziumbasierten IC realisieren. Hochleistungsanwendungen haben gallium-nitrid-basierte Leistungsverstärker, die in die Einheitszelle von phasengesteuerten Antennen passen. In Luftfahrtanwendungen geht der Trend zu Flacharchitekturen mit den Vorteilen der Power- Added-Efficiency (PAE) der GaN-Technik. GaN hat es auch in großen Bodenradarstationen ermöglicht, auf die phasengesteuerte Antennentechnik überzugehen. Es gibt jetzt GaN-ICs, die über 100 W Leistung mit über 50% PAE liefern. Kombiniert wird dieses PAE-Niveau mit dem geringen Taktverhältnis von Radarapplikationen sowie den reduzierten Ausmaßen, Gewicht und Kosten des Antennenarrays. Zusätzlich bietet GaN den Vorteil geringerer Abmaße im Vergleich zu bestehenden GaAs-Lösungen. Teilweise reduzieren sich die Abmaße um die Hälfte. Antennenarray-ICs von Analog Devices Analog Devices hat analoge strahlformende ICs entwickelt, die auf eine ganze Reihe von Applikationen abzielen, wie Radar, Satellitenkommunikation und 5G-Telekommunikation. Der ADAR1000 für das X/Ku- Band ist ein vierkanaliger Baustein für der Betrieb im Time- Division-Duplex-Modus (TDD) zwischen 8 und 16 GHz. Dabei sind alle Sender und Empfänger integriert. Dies ist ideal sowohl für X-Band-Radar als auch Ku-Band-SatCom, wofür der IC derart konfiguriert werden kann, dass es nur als Sender oder Empfänger arbeitet. Der vierkanalige IC hat ein 7 x 7 mm großes QFN-Gehäuse und verbraucht im Sendebetrieb nur 240 mW/Kanal sowie 160 mW/ Kanal im Empfangsmodus. Die Sende- und Empfangskanäle sind herausgeführt zwecks direkter Verbindung mit einem Frontend-Modul (FEM), s. Bild 5. Bild 6 zeigt Verstärkergewinn und Rückflussdämpfung sowie die erreichbare Verstärkungs- und Phasensteuerung bei 360° Phasenabdeckung. Phasenschritte unter 2,8° und eine Verstärkungskontrolle von 31 dB sind erreichbar. Der ADAR1000 besitzt einen internen Speicher, um bis zu 121 Strahlzustände abzuspeichern. Ein Zustandswert umfasst alle Phasen- und Verstärkungseinstellungen für den gesamten 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, hier rund 3° über 20 dB. 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. Der Autor Die ICs sind für analog phasengesteuerte oder hybride Arrayarchitekturen 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 Frontend-Module. Die kombinierten Chip-Sätze von Analog Devices erlauben es, Funktionen zu kombinieren und die ICs optimal zu wählen, womit die Anwender ein Antennen-Design einfacher implementieren können. Weitere Informationen gibt es auf www.analog.com/phasedarray. ◄ Keith Benson (keith.benson@ analog.com) absolvierte sein Studium an der University of Massachusetts, Amherst und schloss es 2002 mit dem Titel B.S.E.E. ab. 2004 erhielt er von der University of California, Santa Barbara, den Titel M.S.E.E. Er arbeitete am Anfang seiner Karriere bei Hittite Microwave, wo er ICs entwickelte, die in drahtloser Elektronik eingesetzt wurden. Anschließend leitete er ein Team von IC-Entwicklern, das sich auf drahtlose Kommunikation fokussierte. 2014 wurde Hittite Microwave von Analog Devices übernommen und Keith wurde Product Line Director für HF/Mikrowellen- Verstärker und ICs für phasengesteuerte Antennenarrays. Er hält drei U.S.-Patente für neuartige Verstärkertechniken. hf-praxis 11/2019 31

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