Los circuitos integrados de formación de haz en fase simplifican el diseño de la antena

Resumen

Las comunicaciones inalámbricas y los sistemas de radar se enfrentan a una creciente demanda de mejora del rendimiento de las arquitecturas de antena, por ejemplo, los conjuntos en fase. Muchas aplicaciones nuevas sólo serán posibles con antenas que consuman menos energía en un perfil más bajo que las antenas parabólicas tradicionales dirigidas mecánicamente. Estos requisitos se unen al deseo de reposicionarse rápidamente ante una nueva amenaza o usuario, transmitir múltiples flujos de datos y funcionar durante más tiempo con objetivos de costes agresivos. En algunas aplicaciones, es necesario anular una señal de bloqueo entrante y tener una baja probabilidad de interceptación. Estos retos se están abordando con los diseños de conjuntos en fase que están arrasando en la industria. Los anteriores inconvenientes de la antena phased array se abordan con tecnología avanzada de semiconductores para, en última instancia, reducir el tamaño, el peso y la potencia de estas soluciones. En este artículo se describen brevemente las soluciones de antena existentes y las ventajas de las antenas guiadas eléctricamente. A continuación, explicará cómo los avances en los semiconductores están ayudando a alcanzar los objetivos de mejora de la SWaP-C para las antenas dirigidas eléctricamente, y luego dará ejemplos de la tecnología ADI que lo hace posible.

Introducción

Los sistemas electrónicos inalámbricos que dependen de las antenas para enviar y recibir señales llevan funcionando más de 100 años. Siguen mejorándose a medida que la necesidad de precisión, eficacia y mediciones más avanzadas es cada vez más importante. En los últimos años, la antena parabólica se ha utilizado ampliamente para transmitir (Tx) y recibir (Rx) señales en las que la directividad es importante, y muchos de estos sistemas funcionan bien a un coste relativamente bajo tras años de optimización. Estas antenas parabólicas con un brazo mecánico para girar la dirección de la radiación tienen algunas desventajas, como la lentitud de la orientación, el tamaño físico, la menor fiabilidad a largo plazo y el hecho de que sólo tienen un patrón de radiación o flujo de datos deseado. Por ello, los ingenieros han recurrido a la tecnología phased array avanzada para mejorar estas características y añadir nuevas funcionalidades. Las antenas phased array se orientan eléctricamente y ofrecen muchas ventajas sobre las antenas tradicionales orientadas mecánicamente, como un perfil bajo/volumen reducido, una mayor fiabilidad a largo plazo, una orientación rápida y múltiples haces. Debido a estas ventajas, la industria está viendo su adopción en aplicaciones militares, comunicaciones por satélite (satcom) y telecomunicaciones 5G, incluidos los coches conectados.

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Tecnología phased array

Una antena en fase es un conjunto de elementos de antena montados de forma que el diagrama de radiación de cada elemento individual se combina constructivamente con las antenas vecinas para formar un diagrama de radiación efectivo llamado lóbulo principal. El lóbulo principal transmite la energía radiada al lugar deseado, mientras que la antena está diseñada para interferir destructivamente con las señales en las direcciones no deseadas, formando nulos y lóbulos laterales. El conjunto de antenas está diseñado para maximizar la energía radiada en el lóbulo principal y reducir la energía radiada en los lóbulos laterales a un nivel aceptable. La dirección de la radiación puede manipularse cambiando la fase de la señal que se introduce en cada elemento de la antena. La figura 1 muestra cómo el ajuste de la fase de la señal en cada antena puede orientar el haz efectivo en la dirección deseada para un conjunto lineal. El resultado es que cada antena del conjunto tiene un ajuste independiente de fase y amplitud para formar el patrón de radiación deseado. El atributo de la dirección rápida del haz en un phased array es fácil de entender, ya que no hay piezas mecánicas móviles. Los ajustes de fase basados en circuitos integrados de estado sólido pueden realizarse en nanosegundos, por lo que podemos cambiar la dirección del patrón de radiación para responder rápidamente a nuevas amenazas o nuevos usuarios. Del mismo modo, es posible pasar de un haz radiado a un cero efectivo para absorber una interferencia, haciendo que el objeto parezca invisible, como en los aviones furtivos. Estos cambios, que implican el reposicionamiento de los patrones de radiación o el cambio a ceros efectivos, pueden realizarse de forma casi instantánea porque podemos cambiar los ajustes de fase eléctricamente con dispositivos basados en circuitos integrados en lugar de piezas mecánicas. Una ventaja adicional de una antena phased array sobre una antena mecánica es la capacidad de irradiar múltiples haces simultáneamente, lo que podría permitir el seguimiento de múltiples objetivos o la gestión de múltiples flujos de datos de usuario. Esto se consigue procesando digitalmente la señal de múltiples flujos de datos en frecuencias de banda base.

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Figura 1: Esquema de la teoría básica de los elementos de red por fases.

La implementación típica de este conjunto utiliza elementos de antena de parche configurados en filas y columnas equidistantes con un diseño de 4 × 4 que implica 16 elementos en total. En la figura 2 se muestra un pequeño conjunto de 4 × 4 con antenas de parche como radiadores. Este conjunto de antenas puede llegar a ser muy grande en los sistemas de radar terrestres, con más de 100.000 elementos posibles

Figura 2: Ilustración del diagrama de radiación de un conjunto de 4 × 4 elementos.

Hay que tener en cuenta el tamaño del conjunto en relación con la potencia de cada elemento radiante, que influye en la directividad del haz y en la potencia radiada efectiva. El rendimiento de la antena puede predecirse examinando algunas cifras de mérito comunes. A menudo, los diseñadores de antenas se fijan en la ganancia de la antena y en la potencia isotrópica radiada efectiva (PIRE), así como en el Gt/Tn. Hay algunas ecuaciones básicas que se pueden utilizar para describir estos parámetros que se muestran en las siguientes ecuaciones. Podemos ver que la ganancia de la antena y la PIRE son directamente proporcionales al número de elementos del conjunto. Esto puede dar lugar a los grandes conjuntos que se ven en las aplicaciones de radar terrestre.

Ecuación 1
Ecuación 2
Ecuación 3
Ecuación 4
Ecuación 5

donde

N = número de elementos
Ge = ganancia de elementos
Gt = ganancia de la antena
Pt = potencia total del transmisor
Pe = potencia por elemento
Tn = temperatura del ruido

Otro aspecto clave del diseño de una antena phased array es el espaciado de los elementos de la antena. Una vez que hemos determinado los objetivos del sistema fijando el número de elementos, el diámetro físico del conjunto viene determinado en gran medida por los límites de cada celda unitaria, que debe ser inferior a aproximadamente media longitud de onda, evitando así los lóbulos del conjunto. Los lóbulos de la red corresponden a la energía radiada en direcciones no deseadas. Esto impone requisitos estrictos a la electrónica que va en el conjunto: debe ser pequeña, de bajo consumo y de bajo peso. La separación de media longitud de onda crea diseños especialmente difíciles a frecuencias más altas, donde la longitud de cada celda unitaria se hace más pequeña. Esto empuja a que los circuitos integrados de alta frecuencia estén cada vez más integrados, a que las soluciones de embalaje sean más avanzadas y a que las técnicas de gestión térmica se simplifiquen a pesar de ser cada vez más difíciles

Cuando construimos la antena completa, el diseño del conjunto presenta muchos retos, como el enrutamiento de la línea de control, la gestión de la fuente de alimentación, los circuitos pulsados, la gestión térmica, las consideraciones medioambientales, etc. Hay un fuerte impulso en la industria hacia las redes de bajo perfil que consumen menos volumen y peso. La arquitectura tradicional de la placa utiliza pequeñas placas de circuito impreso con la electrónica alimentada perpendicularmente a la parte posterior de la placa de la antena. Este enfoque se ha perfeccionado en los últimos 20 años para reducir continuamente el tamaño de la placa, reduciendo así la profundidad de la antena. Los diseños de la próxima generación están pasando de esta arquitectura de placa a un enfoque de panel plano en el que hay suficiente integración en cada CI como para colocarlos simplemente en la parte posterior de la placa de la antena, lo que reduce enormemente la profundidad de la antena y facilita su integración en aplicaciones portátiles o aéreas. En la figura 3, la imagen de la izquierda muestra los elementos de la antena de parche de oro en la parte superior de la placa de circuito impreso y la imagen de la derecha muestra el extremo frontal analógico de la antena en la parte inferior de la placa de circuito impreso. Se trata de un subconjunto de la antena en el que podría haber una etapa de conversión de frecuencia en un extremo de la antena, por ejemplo, y una red de distribución para dirigir una única entrada de RF a toda la red. Es fácil ver que un mayor número de circuitos integrados reduce en gran medida los retos del diseño de antenas y, a medida que las antenas se hacen más pequeñas con más componentes electrónicos en un espacio más reducido, el diseño de antenas requiere una nueva tecnología de semiconductores que ayude a hacer viables las soluciones.

Figura 3: Un conjunto de paneles planos que muestra los parches de antena en la cara superior de una placa de circuito impreso, mientras que los circuitos integrados están en la cara posterior de una placa de circuito impreso de antena.

Formación del haz digital frente a la formación del haz analógico

La mayoría de las antenas phased array que se han diseñado en los últimos años han utilizado la formación de haces analógica, en la que el ajuste de fase se realiza en las frecuencias de RF o FI y hay un conjunto de convertidores de datos para toda la antena. Cada vez hay más interés por la formación digital de haces, en la que hay un conjunto de convertidores de datos por elemento de antena y el ajuste de fase se realiza digitalmente en la FPGA o en algunos convertidores de datos. La formación digital de haces tiene muchas ventajas, empezando por la capacidad de transmitir fácilmente muchos haces o incluso de cambiar el número de haces casi instantáneamente. Esta notable flexibilidad resulta atractiva en muchas aplicaciones y fomenta su adopción. Las continuas mejoras en los convertidores de datos reducen la disipación de energía y se extienden a frecuencias más altas, donde el muestreo de RF en las bandas L y S hace que esta tecnología sea una realidad en los sistemas de radar. Hay múltiples consideraciones a la hora de considerar la formación de haces analógica o digital, pero el análisis suele guiarse por el número de haces necesarios, la disipación de energía y los objetivos de coste. El enfoque de formación digital de haces suele tener una mayor disipación de energía con un convertidor de datos por elemento, pero ofrece mucha flexibilidad en la facilidad de crear múltiples haces. Los convertidores de datos también requieren un mayor rango dinámico, porque la formación de haces que rechaza los bloqueos sólo se hace después de la digitalización. La formación de haces analógica puede admitir múltiples haces, pero requiere un canal de ajuste de fase adicional por cada haz. Por ejemplo, para crear un sistema de 100 haces, habría que multiplicar por 100 el número de desfasadores de RF de un sistema de 1 haz, por lo que el coste de los convertidores de datos frente a los circuitos integrados de control de fase puede cambiar con el número de haces. Del mismo modo, la disipación de energía suele ser menor en el caso de un enfoque analógico de formación de haces que puede utilizar desplazadores de fase pasivos, pero al aumentar el número de haces, la disipación de energía también aumentará si se necesitan etapas de ganancia adicionales para accionar la red de distribución. Un compromiso común es un enfoque híbrido de formación de haces en el que hay submatrices de formación de haces analógicas seguidas de alguna combinación digital de las señales de las submatrices. Es un área de creciente interés en la industria y seguirá evolucionando en los próximos años.

Tecnología de semiconductores

Un sistema de radar de pulso estándar transmite una señal que puede reflejarse en un objeto mientras el radar espera el pulso de retorno para mapear el campo de visión de la antena. En los últimos años, esta solución de front-end de antena ha implicado componentes discretos, probablemente basados en la tecnología de arseniuro de galio. Los componentes de CI utilizados como bloques de construcción para estas antenas de matriz en fase se muestran en la figura 4 y consisten en un desfasador para ajustar la fase de cada elemento de la antena (que en última instancia dirige la antena), un atenuador que puede reducir el haz, un amplificador de potencia utilizado para transmitir una señal y un amplificador de bajo ruido utilizado para recibir una señal, y un interruptor para alternar entre transmisión y recepción. En implementaciones anteriores, cada uno de estos CI podía alojarse en un paquete de 5 mm × 5 mm, o soluciones más avanzadas podían tener un CI monocanal de GaAs monolítico para lograr esta funcionalidad.

Figura 4: Ejemplo de un extremo frontal de RF típico de una antena phased array.

La reciente proliferación de las antenas phased array se ha visto favorecida por la tecnología de los semiconductores. Los nodos avanzados SiGe BiCMOS, SOI (silicio sobre aislante) y CMOS a granel han combinado circuitos digitales para controlar la dirección en el conjunto, así como la ruta de la señal de RF para lograr el ajuste de fase y amplitud en un único circuito integrado. Ahora es posible fabricar CI de formación de haz multicanal que ajustan la ganancia y la fase en una configuración de 4 canales con hasta 32 canales para diseños de ondas milimétricas. En algunos ejemplos de bajo consumo, un CI basado en silicio podría ser una solución monolítica para todas las funciones anteriores. En las aplicaciones de alta potencia, los amplificadores de potencia basados en nitruro de galio han aumentado significativamente la densidad de potencia para acomodar la celda unitaria de las antenas de matriz en fase que tradicionalmente habrían sido atendidas por tubos de onda viajera (TWT) o PAs basados en GaAs de relativamente baja potencia. En las aplicaciones aéreas, estamos viendo una tendencia hacia las arquitecturas de panel plano con las ventajas de potencia añadidas de la tecnología GaN (PAE). El GaN también ha permitido que los grandes radares terrestres pasen de las antenas parabólicas impulsadas por TWT a la tecnología de antenas en fase. Ahora podemos disponer de circuitos integrados monolíticos de GaN capaces de suministrar más de 100 vatios de potencia con más del 50% de PAE. La combinación de este nivel de PAE con el bajo ciclo de trabajo de las aplicaciones de radar permite soluciones de montaje en superficie, reduciendo significativamente el tamaño, el peso y el coste del conjunto de antenas. La ventaja adicional, más allá de la capacidad de potencia pura del GaN, es la reducción de tamaño en comparación con las soluciones de CI de GaAs existentes. Si comparamos un amplificador de potencia de 6 W a 8 W de GaAs en banda X con una solución basada en GaN, la huella se reduce en un 50% o más. Esta reducción del espacio ocupado es importante cuando se trata de integrar estos componentes electrónicos en la celda unitaria de una antena phased array.

Circuitos integrados analógicos phased array de Analog Devices

Analog Devices ha desarrollado circuitos integrados analógicos de formación de haces para dar soporte a una serie de aplicaciones como el radar, las comunicaciones por satélite y las telecomunicaciones 5G. El CI de formación de haces en banda X/Ku ADAR1000 es un dispositivo de 4 canales que cubre de 8 GHz a 16 GHz y que funciona en modo dúplex por división de tiempo (TDD) con el transmisor y el receptor integrados en un solo CI. Es ideal para aplicaciones de radar en banda X, así como para las comunicaciones por satélite en banda Ku, donde el CI puede configurarse para funcionar en modo sólo transmisor o sólo receptor. El CI de 4 canales está alojado en un paquete de montaje superficial QFN de 7 mm × 7 mm para facilitar su integración en matrices de paneles planos. Sólo disipa 240 mW/canal en modo de transmisión y 160 mW/canal en modo de recepción. Los canales del transceptor y del receptor son de entrada directa, diseñados externamente para acoplarse a un módulo frontal (FEM) ofrecido por Analog Devices. La figura 5 muestra el control de ganancia y de fase con una cobertura de fase completa de 360, en la que son posibles pasos de fase de menos de 2,8°, así como un control de ganancia superior a 31 dB. El ADAR1000 contiene una memoria en el chip para almacenar hasta 121 estados del haz, donde un estado contiene todos los ajustes de fase y ganancia de todo el CI. El transmisor ofrece aproximadamente 19 dB de ganancia con 15 dBm de potencia saturada, mientras que la ganancia de recepción es de aproximadamente 14 dB. Otra medida clave es el cambio de fase con respecto al control de ganancia, que es de unos 3° en 20 dB de rango. Del mismo modo, el cambio de ganancia con el control de fase es de unos 0,25 dB en toda la cobertura de fase de 360º, lo que facilita los retos de calibración

Figura 5: Retroalimentación de ganancia/pérdida y control de fase/ganancia del Tx ADAR1000, con frecuencia = 11,5 GHz

Este CI de formación de haz se ha desarrollado para aplicaciones de phased array analógicas o arquitecturas de array híbridas que combinan cierta formación de haz digital con formación de haz analógica. Analog Devices ofrece una solución completa, desde la antena hasta los bits, que incluye los convertidores de datos, la conversión de frecuencia y el CI de formación de haz analógico, así como el módulo frontal. El conjunto de chips combinados permite a Analog Devices combinar la funcionalidad y optimizar los circuitos integrados de forma adecuada para implementar más fácilmente un diseño de antena para nuestros clientes.

Figura 6. Para obtener más información sobre las capacidades de los phasedarray de ADI, visita analog.com/phasedarray.
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