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1-2021

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Antennen Bild 5:

Antennen Bild 5: Gewinn/Rückflussdämpfung und Phase/Verstärkungssteuerung des ADAR1000 bei 11,5 GHz dargestellt. Im Strahlformungsabschnitt regelt das Dämpfungsglied den Leistungspegel an jedem Antennenelement, sodass die Nebenkeulen des Antennendiagramms reduziert werden können (–>Tapering). Der Phasenschieber stellt die Phase eines jeden Antennenelements ein, um den Hauptstrahl der Antenne zu steuern, und zur Umschaltung zwischen Senderund Empfängerpfad wird ein Schalter benutzt. Im Frontend-IC-Bereich wird ein Leistungsverstärker für das Sendesignal, ein rauscharmer Verstärker für das Empfangssignal und schließlich ein weiterer Schalter zum Umschalten zwischen Sender und Empfänger verwendet. Bei früheren Implementierungen wurde jeder dieser ICs in einem separaten Gehäuse angeboten. Bei fortschrittlicheren Lösungen könnte ein integrierter monolithischer Einkanal-GaAs-IC integriert werden, um diese Funktionalität zu erreichen. Nicht abgebildet, aber in den meisten Arrays vor dem Strahlformer enthalten, sind ein passives HF- Combiner-Netzwerk, ein Empfänger/Erreger sowie ein Signalprozessor. Die zunehmende Verbreitung der Phased-Array-Antennentechnologie in jüngster Zeit wurde durch Fortschritte in der Halbleitertechnologie begünstigt. Bei den fortschrittlichen Geometrien in SiGe-BiCMOS, Silizium-On-Isolator (SOI) und Bulk-CMOS-Technologie werden Digital- und HF-Schaltkreise kombiniert. Diese ICs können sowohl die digitalen Aufgaben im Array ausführen als auch den HF-Signalweg steuern, um die gewünschte Phasen- und Amplitudeneinstellung zu erhalten. Es lassen sich heute mehrkanalige Strahlformungs-ICs realisieren, die eine Verstärkungs- und Phasenanpassung in einer 4-Kanal- Konfiguration durchführen und die auf bis zu 32 Kanäle für mmW-Designs abzielen. Für Konzepte bei geringeren Leistungen könnte ein IC auf Siliziumbasis eine monolithische Lösung für alle bisherigen Funktionen sein. Bei Anwendungen mit höherer Leistung haben Leistungsverstärker auf Galliumnitridbasis die Leistungsdichte deutlich erhöht, die in der Elementarzelle einer Phased-Array- Antenne untergebracht werden kann. Bei diesen Verstärkern kamen herkömmlicherweise auf Wanderfeldröhren (TWT) basierende Technologien zum Einsatz oder GaAs-basierte ICs mit relativ geringer Leistung. Bei Luftfahrtanwendungen lässt sich ein Trend zu Flat-Panel- Architekturen mit den Power- Added-Efficiency-Vorteilen (PAE) der GaN-Technologie erkennen. GaN hat es zudem bei großen bodengestützten Radargeräten ermöglicht, von einer Parabolantenne, die von einer TWT angesteuert wird, zu einer phased-array-basierten Antennentechnologie überzugehen, angesteuert von Festkörper- GaN-ICs. Bild 6: Funktionsblockdiagramm ADTR1107 Es stehen inzwischen monolithische GaN-ICs zur Verfügung, die mehr als 100 W Leistung mit über 50% PAE liefern können. Die Kombination dieses Wirkungsgrades mit dem geringen Tastverhältnis von Radaranwendungen ermöglicht oberflächenmontierte Lösungen, bei denen die erzeugte Wärme über die Gehäusebasis abgeführt werden kann. Diese oberflächenmontierten Leistungsverstärker reduzieren die Größe, das Gewicht und die Kosten des Antennenarrays erheblich. Der zusätzliche Vorteil, der über die reine Leistungsfähigkeit von GaN hinausgeht, ist die Größenreduzierung im Vergleich zu bestehenden GaAs- IC-Lösungen. Beispielsweise reduziert ein GaN-basierter Leistungsverstärker mit 6...8 W im X-Band den Platzbedarf im Vergleich zu einem GaAs-basierten Verstärker um 50%. Diese Reduzierung des Platzbedarfs ist signifikant beim Versuch, diese Elektronik in die Elementarzelle einer Phased-Array-Antenne einzubauen. Die Fortschritte in der Gehäusetechnologie ermöglichen zudem 28 hf-praxis 1/2021

Antennen Bild 7: Sende- und Empfangsgewinn und die Rückflussdämpfung des ADTR1107 planare Antennenarchitekturen zu wesentlich geringeren Kosten. Für High-Reliability-Designs können vergoldete, hermetisch abgedichtete Gehäuse mit Chipund-Draht-Bondings im Inneren verwendet werden. Diese Gehäuse sind für extreme Umgebungen zwar robuster, allerdings auch groß und teuer. Bei Multichip-Modulen (MCMs) werden mehrere MMIC-Bausteine sowie passive Bauelemente in einem relativ kostengünstigen oberflächenmontierten Gehäuse kombiniert. MCMs ermöglichen nach wie vor das Mischen von Halbleitertechnologien, sodass die Leistung eines jeden Bauelements maximiert und gleichzeitig beträchtlich Platz eingespart werden kann. Beispielsweise kann ein Frontend-IC einen Leistungsverstärker, einen rauscharmen Verstärker und einen Sende-/ Empfangsschalter enthalten. Die thermischen Durchkontaktierungen oder die massive Kupferfläche im Boden des Gehäuses werden zur Ableitung der Wärme verwendet. Für kommerzielle, militärische und Weltraum- Anwendungen, bei denen Kosten eingespart werden müssen, werden nun vielfach die wesentlich kostengünstigeren oberflächenmontierten Gehäusealternativen verwendet. Strahlformer-ICs für Phased-Arrays Integrierte analoge Strahlformungs-ICs, oft als Core- Chips bezeichnet, werden zur Unterstützung einer Reihe von Anwendungen wie Radar, Satellitenkommunikation und 5G-Telekommunikation eingesetzt. Die Hauptfunktion dieser Chips besteht darin, den relativen Gewinn und die Phase eines jeden Kanals genau einzustellen, sodass sich die Signale in der gewünschten Richtung des Antennenhauptstrahls kohärent addieren. Sie werden für analoge Phased-Array-Anwendungen oder hybride Arrayarchitekturen entwickelt, die eine Kombination aus digitaler Strahlformung und analoger Strahlformung verwenden. Der X-/Ku-Band-Strahlformungs-IC ADAR1000 ist ein 4-Kanal-Bauelement mit einem Frequenzbereich von 8 bis 16 GHz, das im TDD-Modus (Time Division Duplex) arbeitet, wobei Sender und Empfänger in einem IC integriert sind. Im Empfangsmodus durchlaufen die Eingangssignale vier Empfangskanäle und werden anschließend an einem RF_ IO-Pin zusammengeführt. Im Sendemodus wird das RF_IO- Eingangssignal aufgeteilt und durchläuft die vier Sendekanäle. Ein Blockdiagramm ist in Bild 4 dargestellt. Eine einfache serielle Vierdraht- Schnittstelle (SPI) steuert die Onchip-Register. Zwei Adress- Pins ermöglichen die SPI-Steuerung von bis zu vier Geräten auf denselben seriellen Leitungen. Dedizierte Sende- und Empfangs-Pins sorgen für die Synchronisierung aller Core-Chips im selben Array. Ein einzelner Pin steuert den schnellen Wechsel zwischen Sende- und Empfangsmodus. Der vierkanalige IC ist zur einfachen Integration in Flachantennenarrays in einem 7 × 7 mm großen oberflächen- Bild 8: Schnittstelle zwischen dem Frontend-IC ADTR1107 und dem X-Band- und Ku-Band-Strahlformer ADAR1000 hf-praxis 1/2021 29

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