エンジニア

Jun 21, 2023

ピーター・デロス

アナログ・デバイセズ社、設計セクション リーダー

導入

私たちは、フェーズド アレイ アプリケーションにおける高周波 (RF) エレクトロニクスにとって歴史的な瞬間を目撃しています。 無線業界の急速な進歩により、RF エレクトロニクスの統合と小型化が急速に進んでいます。 現在、多くのアプリケーションがこれらの成果の恩恵を受けています。 信号チェーンの大部分を完全な集積回路 (IC) に統合することで、特にフェーズド アレイ アンテナが可能になりました。 最近の IC の広範な市場へのリリースによって、アナログ ビームフォーミングまたはデジタル ビームフォーミングの実装を備えた新しいシステムが急増しています。

アナログ・デバイセズでは、顧客や出版社からの問い合わせやインタビューの依頼を定期的に受けています。 RF から高速コンバータ、トランシーバ、PLL、電源に至るまでのアンテナからビットまでのソリューションを提供する完全なポートフォリオと、高度な統合により、システム アーキテクチャの専門知識が生まれました。 将来のフェーズド アレイを可能にする RF 信号チェーン全体をカバーする当社の開発には多くの好奇心が集まっています。

この記事では、インターネット上にさまざまな形で散在する日常的な問い合わせのいくつかを、より包括的な議論にまとめます。 フェーズド アレイの進化の簡単な歴史から始まり、アーキテクチャの傾向と課題について説明し、最近の開発に対する当社の見解について洞察を提供し、さまざまなトピックの詳細を提供する記事や Web キャストへのリンクを提供します。

フェーズド アレイの進化から始めましょう。 私たちはどうやってここへ来ましたか？

初期のフェーズド アレイの研究の多くはレーダー アプリケーション向けに開発されたものであるため、レーダー アンテナの実装の進化を考慮すると、最新のデジタル ビームフォーミング アンテナがどのように考案されたかについての良い洞察が得られます。 必然的に、第二次世界大戦中および戦後、大規模なレーダー開発が加速されました。 第二次世界大戦後、現在波形やレーダーの処理に使用されている数学の大部分は、さまざまな政府の研究所や組織で開発されました。

重要なレーダー処理技術はパルス圧縮です。 パルス圧縮は、整合フィルタの出力パルスが送信パルスよりもはるかに短い場合、線形周波数変調 (LFM) や位相コードなどの波形を選択することによって有効になります。 パルス圧縮の量は信号帯域幅に直接関係します。 これは 1960 年代までにすべて文書化され、理解されました。 レーダーはパルス圧縮によって生まれたという人もいます。 数学が理解されると、拡張実装開発が継続され、最終的に最新のフェーズド アレイにつながりました。

最初の実装では、真空管アンプで高出力 RF を生成する回転アンテナ ディッシュが使用されていました。 その後、回転皿は、非常に高性能のレーダーに使用される最初のフェーズド アレイ アンテナに置き換えられました。 真空管ハイパワーアンプ (HPA) は残り、送信信号の流れは、真空管 HPA → 導波管分配 → 移相器 → 放射素子となりました。 ビームフォーミングはすべてアナログ システムでした。 受信時には複数のビーム パターンを作成できますが、プロセスが複雑でコストがかかるため、通常はいくつかのビームに限定されていました。 モノパルス レーダー用のアンテナ システムはこの方法で実装できます。 ソリッドステート フェーズド アレイへの最初のステップは、すべての要素に分散された送信/受信 (T/R) モジュールの導入であり、最初の実装では依然として同様のバックエンド処理によるアナログ ビームフォーミングが使用されていました。 T/R モジュールは、送信用のソリッドステート HPA、受信用の低ノイズ アンプ (LNA)、およびアンテナからの RF エネルギーの方向 (送信または受信) を制御するサーキュレータまたはスイッチで構成されます。

現在進行中の移行は、デジタル ビームフォーミング フェーズド アレイへの移行です。 アナログ ビームフォーミング サブアレイ、その後の各サブアレイの背後にある受信機と ADC で構成されるハイブリッド アーキテクチャにより、デジタル ビームフォーミングでサブアレイ パターン内に多くのビームを形成できます。 すべての要素のデジタル フェーズド アレイには、すべての要素の背後に受信機と波形発生器が含まれています。 すべての要素のデジタル ビームフォーミング フェーズド アレイは、真にソフトウェア定義のアンテナ パターンを可能にします。 多くのビームをさまざまな方向に同時に形成でき、ヌルを含むアンテナ パターンを適応的に制御できます。 システム レベルでプログラムできるため、すべての要素のデジタル フェーズド アレイが多くのアンテナ設計者の目標となっています。