El ingeniero

May 20, 2023

Peter Delos

Líder de la Sección de Diseño, Dispositivos Analógicos

Introducción

Estamos siendo testigos de un momento histórico para la electrónica de radiofrecuencia (RF) en aplicaciones de matriz en fase. Los rápidos avances en la industria inalámbrica han proliferado la integración y miniaturización de la electrónica de RF. Muchas aplicaciones ahora cosechan los beneficios de estos logros. La integración de grandes secciones de la cadena de señales en circuitos integrados (CI) completos ha permitido, en particular, el uso de antenas en fase. Están proliferando nuevos sistemas con implementaciones de formación de haces analógica o digital impulsadas por los recientes lanzamientos de circuitos integrados en los mercados en general.

En Analog Devices recibimos habitualmente consultas y solicitudes de entrevistas de clientes y editores. El portafolio completo que ofrece una solución de antena a bits que va desde RF hasta convertidores de alta velocidad, transceptores, PLL y energía, junto con una integración avanzada, ha creado una experiencia en arquitectura de sistemas. Hay mucha curiosidad acerca de nuestros desarrollos que cubren toda la cadena de señales de RF y que permitirán los arreglos en fase del futuro.

Este artículo resume algunas de las consultas de rutina que se encuentran dispersas en diversas formas en Internet en una discusión más completa. Comenzamos con una breve historia de la evolución de los arreglos en fases, discutimos las tendencias y desafíos de la arquitectura, ofrecemos información sobre nuestra visión de los desarrollos recientes y ofrecemos enlaces a artículos y webcasts que brindan más detalles sobre diversos temas.

Comencemos con la evolución de los Phased Arrays. ¿Cómo llegamos aquí?

Gran parte del trabajo inicial de arreglos en fases se desarrolló para aplicaciones de radar, por lo que considerar la evolución de las implementaciones de antenas de radar proporciona una buena idea de cómo se concibieron las modernas antenas digitales de formación de haces. Por necesidad, se aceleró un importante desarrollo de los radares durante y después de la Segunda Guerra Mundial. Después de la Segunda Guerra Mundial, la mayoría de las matemáticas que se utilizan hoy en día para el procesamiento de radares y formas de onda se desarrollaron en varios laboratorios y organizaciones gubernamentales.

Una técnica importante de procesamiento de radar es la compresión de pulsos. La compresión de pulsos se habilita mediante opciones de formas de onda, como modulaciones de frecuencia lineales (LFM) y códigos de fase donde el pulso en la salida del filtro adaptado es mucho más corto que el pulso transmitido. La cantidad de compresión del pulso está directamente relacionada con el ancho de banda de la señal. Todo esto fue documentado y comprendido en la década de 1960. Algunos dicen que el radar nació con la compresión de pulsos. Una vez entendidas las matemáticas, continuaron los desarrollos de implementación ampliados y, en última instancia, condujeron a la matriz en fases moderna.

Las primeras implementaciones tenían antenas parabólicas giratorias con RF de alta potencia generadas en amplificadores de válvulas. Luego se sustituyeron los platos giratorios por las primeras antenas en fase, que se utilizaron para radares de muy alto rendimiento. Los amplificadores de válvulas de alta potencia (HPA) permanecieron y el flujo de la señal de transmisión fue: HPA de válvulas → distribución de guías de onda → desfasadores → elementos radiantes. La formación de haces era un sistema totalmente analógico. En la recepción, se podían crear varios patrones de haces, pero el proceso era complejo y costoso, por lo que normalmente se limitaba a unos pocos haces. De esta manera se podrían implementar sistemas de antenas para radares monopulso. El primer paso hacia los arreglos en fase de estado sólido fue la introducción de módulos de transmisión/recepción (T/R) distribuidos en cada elemento, y las primeras implementaciones todavía usaban formación de haces analógica con un procesamiento de fondo similar. El módulo T/R consta de un HPA de estado sólido para transmisión, un amplificador de bajo ruido (LNA) para recepción y un circulador o interruptor para controlar la dirección de la energía de RF (transmisión o recepción) desde la antena.

La transición actual en progreso es la migración hacia arreglos en fase con formación de haces digitales. Las arquitecturas híbridas que consisten en subarreglos analógicos formados por haces, luego receptores y ADC detrás de cada subarreglo, permiten que la formación de haces digital forme muchos haces dentro del patrón del subarreglo. Los arreglos en fase digitales de cada elemento incluyen receptores y generadores de formas de onda detrás de cada elemento. La matriz en fase con forma de haz digital de todos los elementos es el habilitador para patrones de antena verdaderamente definidos por software. Se pueden formar muchos haces simultáneamente en muchas direcciones diversas y los patrones de antena se pueden controlar de forma adaptativa, incluidos los nulos. Debido a la programabilidad a nivel de sistema, los arreglos en fase digitales de todos los elementos se han convertido en el objetivo de muchos arquitectos de antenas.

¿Puedes explicar con más detalle la diferencia entre la formación de haces analógica y digital?

Quizás esto se entienda mejor con una ilustración como la Figura 2. En la formación de haces analógica, hay un desfasador y un control de ganancia en el dominio de RF detrás de cada elemento, generalmente después de un módulo T/R. La dirección del haz se forma controlando la fase de RF de cada elemento antes de combinarlo. Se puede aplicar una reducción de amplitud para ayudar a los niveles de los lóbulos laterales de la antena. En la formación de haces digital, se realiza un proceso similar excepto que es todo digital. Hay receptores completos con ADC para cada elemento, la formación del haz se realiza en el dominio digital, los cambios de fase se aplican digitalmente en cada canal y una suma ponderada forma el patrón de antena. Debido a que el haz se forma digitalmente, se pueden crear muchos patrones de haz de antena simultáneamente en los mismos datos ADC. Esto se logra duplicando las estructuras de suma y retardo de tiempo de formación de haz digital. Es una forma de procesamiento paralelo que crea múltiples haces que se programan de forma independiente a partir del mismo flujo de datos ADC. En teoría, esto podría ampliarse a un gran número de haces. En la práctica, el límite realizable suele estar fijado por la capacidad de procesamiento digital. Para vincular el procesamiento con velocidades de datos prácticas, algunos sistemas definen un producto de ancho de banda del haz. Esta definición permite un equilibrio entre el número de haces y el ancho de banda por haz manteniendo al mismo tiempo una restricción en las velocidades de datos requeridas para el sistema.

Un beneficio de la formación de haces analógica es la simplicidad de la implementación. Hay pocos convertidores de datos y, por tanto, el esfuerzo de desarrollo digital es muy manejable. El desafío es que la estructura de formación de haces analógica debe repetirse para cada haz de antena. También hay puntos únicos de falla después de la formación del haz. Sin embargo, para sistemas de bajo costo y bajo número de haces, la formación de haces analógica es una buena opción y será un candidato principal en sistemas de antenas de costo limitado.

Los beneficios de la formación de haces digital residen en la flexibilidad para múltiples haces de antena programables simultáneamente en muchas direcciones. Desafortunadamente, los desafíos son importantes, incluido el gran volumen de datos digitales, la sincronización y las limitaciones de tamaño físico de la electrónica necesaria detrás de cada elemento radiante. A pesar de los desafíos, aún puede ser una arquitectura rentable cuando se necesitan muchos haces simultáneos desde una sola antena.

Un compromiso es utilizar una combinación de formación de haces analógica y digital. En este caso, los elementos se forman en subarreglos en el dominio analógico, luego los haces se pueden formar digitalmente dentro del patrón de subarreglo. Esto puede considerarse una arquitectura híbrida y también es bastante popular cuando se desea la formación de haces digital, pero la formación de haces completamente digital no es práctica debido a cualquiera de los diversos desafíos o restricciones de costos del sistema.

¿Puedes describir algunos de tus trabajos en front-ends de RF?

Primero, definamos la interfaz de RF. Por lo general, consta del módulo T/R junto con cualquier formación de haz analógica. Estamos desarrollando productos en todas estas áreas. Los HPA y LNA se lanzan periódicamente para satisfacer las demandas del mercado. También hay interruptores de alta potencia y baja pérdida que permiten una rápida conmutación frontal entre transmisión y recepción. Estos se pueden integrar en módulos T/R como una solución completa cuando sea apropiado para las aplicaciones del cliente.

La industria está trabajando mucho para mejorar la tecnología GaN para HPA y LNA. Hay varios motivadores primarios bien publicitados, como la capacidad de una mayor densidad de potencia y mayores voltajes de ruptura. También existen motivadores adicionales para las aplicaciones de arreglos en fase. Con voltajes operativos más altos, hay menos corriente en la distribución de energía, lo que genera beneficios generales de eficiencia del sistema. Los voltajes de ruptura más altos brindan una mayor potencia de supervivencia para los LNA y, en algunos casos, pueden eliminar la necesidad de limitadores frontales que pueden conducir a una figura de ruido del receptor general más baja, incluso si la figura de ruido del LNA de GaN está ligeramente por encima de un LNA de GaAs.

Para los formadores de haces analógicos, hemos lanzado el ADAR1000. Este es un formador de haz analógico 4:1 en bandas X y Ku. Además de todas las funciones de formación de haces analógicas requeridas, se ha incluido una característica única para los impulsos HPA/LNA a través del control de puerta. Se ha demostrado un rápido encendido/apagado mediante el control de la compuerta en lugar del drenaje. Este enfoque elimina la necesidad de pasar corriente alta a través del drenaje. Hemos publicado notas de aplicación sobre posibles técnicas de circuitos para conmutación de puertas y la capacidad del ADAR1000 para ayudar a simplificar los circuitos de control alrededor de los módulos T/R.

Para los receptores y generadores de formas de onda, ¿cuáles son algunas de las arquitecturas que se implementan actualmente?

Las arquitecturas del receptor y del generador de formas de onda se pueden clasificar a grandes rasgos en tres variaciones: heterodina, conversión directa y muestreo directo. Existen ventajas y desventajas de cada elección de arquitectura según la aplicación. Consideramos que todos ellos tienen un lugar según el objetivo y creamos circuitos integrados que admitan todas las arquitecturas según cómo las personas usen las piezas. La Figura 3 ilustra las diferentes arquitecturas. Aunque sólo se muestra el receptor, las topologías también se aplican a las cadenas de señales del generador de formas de onda.

Tabla 1. Opciones de arquitectura del receptor

El enfoque superheterodino, que existe desde hace 100 años, está bien probado y puede proporcionar un rendimiento excepcional con una planificación de frecuencia adecuada. Lamentablemente, también es el más complicado. Por lo general, requiere la mayor potencia, la mayor huella física en relación con el ancho de banda disponible y una planificación de frecuencia que puede resultar bastante desafiante en anchos de banda fraccionarios grandes. También es el menos programable, a menos que se incluya hardware adicional para cambiar entre una variedad de rutas de filtro y LO. Una de las tendencias más recientes es que los convertidores y transceptores modernos de alta velocidad ofrecen la capacidad de muestrear en frecuencias IF más altas. El uso de estas últimas versiones puede simplificar los planes de frecuencia, eliminar etapas de mezcla y reducir la complejidad del LO ágil complementario.

El enfoque de muestreo directo se ha buscado durante mucho tiempo, pero se ha enfrentado a los obstáculos de operar los convertidores a velocidades acordes con el muestreo de RF directo y lograr un gran ancho de banda de entrada. Hoy en día, hay convertidores de alta velocidad disponibles para muestreo directo a través de banda S y superiores, y varios se enumeran en las referencias. El muestreo a velocidades GSPS con anchos de banda de entrada analógica superiores a 6 GHz es una novedad en los últimos convertidores de alta velocidad. El muestreo directo de frecuencias más altas seguirá siendo una tendencia a tener en cuenta en los convertidores de datos emergentes. A medida que los nodos FinFET CMOS de próxima generación continúen aumentando las velocidades de operación de los transistores y reduciendo la capacitancia parásita, serán posibles nuevas familias de convertidores de datos, con el potencial de tener un impacto significativo en el diseño futuro de sistemas de RF.

Las arquitecturas de conversión directa proporcionan el uso más eficiente del ancho de banda del convertidor de datos. Los convertidores de datos operan en el primer Nyquist, donde el rendimiento es óptimo y el filtrado de paso bajo es más fácil. Los dos convertidores de datos trabajan juntos muestreando señales I/Q, aumentando así el ancho de banda del usuario sin los desafíos del entrelazado. El desafío dominante que ha plagado la arquitectura de conversión directa durante años ha sido mantener el equilibrio I/Q para niveles aceptables de rechazo de imagen, fugas LO y compensaciones de CC. En los últimos años, la integración avanzada de toda la cadena de señales de conversión directa, combinada con calibraciones digitales, ha superado estos desafíos. Nuestra línea de productos transceptores se basa en arquitecturas de conversión directa. Cuando el rendimiento sea adecuado, estas serán las soluciones económicas más integradas disponibles.

¿Existen otros beneficios al distribuir los generadores y receptores de formas de onda en una matriz de formación de haces digital?

Uno de los objetivos de la ingeniería de sistemas con electrónica de RF distribuida es lograr una mejora del rango dinámico a medida que se combinan los canales. Al combinar dos señales de RF, si las señales de RF coinciden en amplitud y fase, y si el ruido en cada uno de los canales no está correlacionado, habrá una ganancia de combinación de 10logN que producirá una mejora del rango dinámico. Si el ruido en los canales está correlacionado, no hay mejora cuando se combinan. Por lo tanto, uno de los esfuerzos de ingeniería del sistema es rastrear los contribuyentes de ruido que están correlacionados o no correlacionados. El ruido correlacionado puede provenir de cualquier cosa compartida entre canales, incluidos relojes, LO, energía, etc.

Para matrices grandes, esta mejora tiene un valor significativo. Por ejemplo, 100 canales pueden ofrecer una mejora del rango dinámico de 20 dB si todos los componentes de ruido no están correlacionados. Hemos desarrollado nuestros propios bancos de pruebas de RF multicanal para garantizar que estos parámetros se comprendan tanto para el uso de nuestros componentes por parte de nuestros clientes como para nuestros propios esfuerzos de diseño interno.

¿Puede darnos más detalles sobre los desafíos de tamaño físico que enfrentan los diseñadores en los arreglos en fase de formación de haces digitales?

Un desafío físico fundamental es el espaciado entre elementos en función de la longitud de onda, que se reduce a medida que aumenta la frecuencia de funcionamiento. Muchos sistemas establecen el espaciado entre elementos a la mitad de la longitud de onda o menos para evitar que los lóbulos se enreden en el patrón de la antena. En las bandas L y S, resulta práctico colocar la electrónica en una separación de cada elemento, utilizando los últimos transceptores o convertidores de muestreo directo. A medida que la frecuencia aumenta a la banda X (10 GHz), es un desafío, pero posible, con una integración avanzada. En Ka-band, es todo un desafío. A medida que aumenta la frecuencia, las arquitecturas híbridas pueden volverse más prácticas y un formador de haz 4:1, como el ADAR1000, puede reducir el número de receptor/excitador en 4 y permitir que se asigne espacio adicional para la electrónica de RF.

Para abordar este desafío, continuamos integrando secciones completas de las cadenas de señales. Los transceptores y convertidores integrados multicanal forman la base para el muestreo de RF en un espacio físico reducido. Además, el diseño de RF integrado en RFIC monolíticos, SiP (sistema en paquetes) y módulos T/R integrados avanza continuamente. La combinación de los convertidores o transceptores multicanal de alta velocidad con los avances de RF permite la integración necesaria para las implementaciones modernas de arreglos en fase.

Enlaces/referencias adicionales

El diseño de matriz en fase cubre muchos aspectos de la ingeniería, desde el diseño de radiofrecuencia, la distribución de energía, el diseño digital de alta velocidad, el empaquetado avanzado y el procesamiento de señales digitales. La amplitud del portafolio de Analog Devices cubre todas estas áreas. La amplia gama de ofertas en una sola empresa es bastante exclusiva de la industria de RF/microondas y un facilitador para los integradores de sistemas que desarrollan sistemas de antenas en fase. Aquí hemos introducido las tendencias y algunas de las consideraciones. Hay mucha más información técnica en línea en analog.com, junto con todas las hojas de datos del producto. A continuación se ofrece un punto de partida para artículos técnicos, webcasts y circuitos integrados recientes, todos aplicables a aplicaciones de arreglo en fase.

Masterson, Claire. "MIMO masivo y formación de haces: el procesamiento de señales detrás de las palabras de moda 5G". Diálogo analógico, vol. 1 de junio de 2017.

Delos, Pedro. "Las tecnologías avanzadas allanan el camino para nuevas arquitecturas de radar Phased Array". Analog Devices, Inc., noviembre de 2016.

Delos, Peter y Jarret Liner. "Las aplicaciones exclusivas de Gate Drive permiten encender y apagar rápidamente su amplificador de alta potencia". Diálogo analógico, número 148, diciembre de 2017.

Delos, Peter, Michael Jones y Mark Robertson. "Los transceptores de RF permiten una descorrelación espuria forzada en matrices en fase de formación de haces digitales". Analog Devices, Inc., septiembre de 2018.

Delos, Pedro. "Modelo de ruido de fase LO a nivel de sistema para arreglos en fase con bucles distribuidos bloqueados en fase". Analog Device, Inc., noviembre de 2018.

Delos, Peter y Jarret Liner. "Las mediciones de ruido de fase DAC mejoradas permiten aplicaciones DDS de ruido de fase ultrabajo". Diálogo analógico, vol. 51, agosto de 2017.

Delos, Pedro. "Una revisión de las opciones de arquitectura del receptor de RF de banda ancha". Dispositivos analógicos, Inc., febrero de 2017.

Brannon, Brad. "Algunos avances recientes en el arte de la tecnología de receptores: una historia seleccionada de las innovaciones de receptores durante los últimos 100 años". Diálogo analógico, vol. 52, agosto de 2018.

Benson, Keith. "Avances en soluciones de formación de haces analógicas Phased Array". Webcast de Analog Devices, Inc., septiembre de 2017.

Delos, Pedro. "Técnicas de formación de haces digitales para Phased Arrays". Webcast de Analog Devices, Inc., enero de 2017.

Jones, Michael. "Habilitación de sistemas Phased-Array y EW de próxima generación". Transmisión web de Analog Devices, Inc., 2018.

Henderson, Greg. "Guía de selección de productos de RF/microondas". Dispositivos analógicos, Inc. Junio ​​de 2018.

ADAR1000: Formador de haz analógico. Dispositivos analógicos, Inc., 2019.

Sintetizadores de bucle bloqueado en fase (PLL). Dispositivos analógicos, Inc., 2019.

d.C.9213. Dispositivos analógicos, Inc., 2019.

AD9208. Dispositivos analógicos, Inc., 2019.

d.C.9172. Dispositivos analógicos, Inc., 2019.

ADRV9009. Dispositivos analógicos, Inc., 2019.

Sobre el Autor

Peter Delos es líder técnico del Grupo Aeroespacial y de Defensa de Analog Devices en Greensboro, Carolina del Norte. Recibió su BSEE de Virginia Tech en 1990 y su MSEE de NJIT en 2004. Peter tiene más de 25 años de experiencia en la industria. La mayor parte de su carrera la ha dedicado al diseño de sistemas analógicos/RF avanzados a nivel de arquitectura, nivel PWB y nivel IC. Actualmente se centra en miniaturizar diseños de receptores, generadores de formas de onda y sintetizadores de alto rendimiento para aplicaciones de arreglo en fase. Puede comunicarse con él en [email protected].