기술자

Jun 21, 2023

피터 델로스

Analog Devices 설계 부문 리더

소개

우리는 위상 배열 응용 분야에서 무선 주파수(RF) 전자 장치의 역사적인 순간을 목격하고 있습니다. 무선 산업의 급속한 발전으로 인해 RF 전자 장치의 통합 및 소형화가 확산되었습니다. 이제 많은 애플리케이션이 이러한 성과의 이점을 누리고 있습니다. 신호 체인의 큰 부분을 완전한 집적 회로(IC)에 통합함으로써 특히 위상 배열 안테나가 가능해졌습니다. 최근 IC 출시를 통해 광범위한 시장에 출시된 아날로그 빔포밍 또는 디지털 빔포밍 구현을 통해 새로운 시스템이 확산되고 있습니다.

Analog Devices에서는 정기적으로 고객과 출판사로부터 문의와 인터뷰 요청을 받습니다. RF에서 고속 변환기, 트랜시버, PLL 및 전력에 이르는 안테나-비트 솔루션과 고급 통합을 제공하는 전체 포트폴리오는 시스템 아키텍처 전문 지식을 만들어냈습니다. 미래의 위상 배열을 가능하게 할 전체 RF 신호 체인을 포괄하는 당사의 개발에 대해 많은 호기심이 있습니다.

이 글은 인터넷상에 다양한 형태로 흩어져 있는 일상적인 문의 중 일부를 좀 더 포괄적인 논의로 요약한 것입니다. 우리는 위상 배열 발전의 간략한 역사부터 시작하여 아키텍처 동향과 과제에 대해 논의하고, 최근 개발에 대한 우리의 관점에 대한 통찰력을 제공하며, 다양한 주제에 대한 자세한 내용을 제공하는 기사 및 웹캐스트에 대한 링크를 제공합니다.

위상 배열의 진화부터 시작해 보겠습니다. 어떻게 여기까지 왔어?

초기 위상 배열 작업의 대부분은 레이더 애플리케이션을 위해 개발되었으므로 레이더 안테나 구현의 발전을 고려하면 최신 디지털 빔포밍 안테나가 어떻게 고안되었는지에 대한 좋은 통찰력을 얻을 수 있습니다. 필요에 따라 제2차 세계 대전 중과 그 이후에 중요한 레이더 개발이 가속화되었습니다. 제2차 세계대전 이후 오늘날 파형 및 레이더 처리에 사용되는 수학의 대부분은 다양한 정부 연구소 및 조직에서 수행되었습니다.

중요한 레이더 처리 기술은 펄스 압축입니다. 펄스 압축은 LFM(선형 주파수 변조) 및 정합 필터 출력의 펄스가 전송된 펄스보다 훨씬 짧은 위상 코드와 같은 파형 선택을 통해 활성화됩니다. 펄스 압축량은 신호 대역폭과 직접적인 관련이 있습니다. 이것은 모두 1960년대에 문서화되고 이해되었습니다. 어떤 사람들은 레이더가 펄스 압축으로 탄생했다고 말합니다. 수학을 이해하면서 확장된 구현 개발이 계속되었고 궁극적으로 현대적인 위상 배열로 이어졌습니다.

첫 번째 구현에는 튜브 증폭기에서 생성되는 고전력 RF를 사용하는 회전 안테나 접시가 있었습니다. 그런 다음 회전 접시는 매우 고성능 레이더에 사용되는 최초의 위상 배열 안테나로 교체되었습니다. 진공관 고출력 증폭기(HPA)는 그대로 유지되었으며 전송 신호 흐름은 진공관 HPA → 도파관 분포 → 위상 천이기 → 방사 요소였습니다. 빔포밍은 모두 아날로그 시스템이었습니다. 수신 시 여러 개의 빔 패턴을 만들 수 있었지만 프로세스가 복잡하고 비용이 많이 들었기 때문에 일반적으로 몇 개의 빔으로 제한되었습니다. 모노펄스 레이더용 안테나 시스템은 이러한 방식으로 구현될 수 있습니다. 솔리드 스테이트 위상 어레이를 향한 첫 번째 단계는 모든 요소에 분산된 T/R(송신/수신) 모듈을 도입하는 것이었고, 첫 번째 구현에서는 여전히 유사한 백엔드 처리를 갖춘 아날로그 빔포밍을 사용하고 있습니다. T/R 모듈은 송신용 솔리드 스테이트 HPA, 수신용 LNA(저잡음 증폭기), 안테나에서 RF 에너지 방향(송신 또는 수신)을 제어하는 ​​순환기 또는 스위치로 구성됩니다.

현재 진행 중인 전환은 디지털 빔포밍 위상 배열로의 마이그레이션입니다. 아날로그 빔형성 하위 어레이와 모든 하위 어레이 뒤의 수신기 및 ADC로 구성된 하이브리드 아키텍처를 통해 디지털 빔형성이 하위 어레이 패턴 내에서 많은 빔을 형성할 수 있습니다. 모든 요소 디지털 위상 배열에는 모든 요소 뒤에 수신기와 파형 발생기가 포함되어 있습니다. 모든 요소를 ​​포함하는 디지털 빔형성 위상 배열은 진정한 소프트웨어 정의 안테나 패턴을 가능하게 합니다. 많은 빔이 다양한 방향으로 동시에 형성될 수 있으며 널을 포함하여 안테나 패턴이 적응적으로 제어될 수 있습니다. 시스템 수준의 프로그래밍 가능성으로 인해 모든 요소에 대한 디지털 위상 배열이 많은 안테나 설계자의 목표가 되었습니다.