Phased Array e Beamforming: le soluzioni Analog Devices

Per comprendere, partendo dalle basi, di cosa stiamo parlando, ecco la definizione che Wikipedia dà di antenna: “In telecomunicazioni, un’antenna è un dispositivo elettrico atto a trasmettere o ricevere onde elettromagnetiche: le antenne forniscono al ricevitore un segnale elettrico proporzionale al campo elettromagnetico in cui sono immerse, oppure viceversa irradiano, sotto forma di campo elettromagnetico, il segnale elettrico fornito loro da un trasmettitore.”

In pratica l’antenna consente l’irradiazione di energia elettromagnetica quando è attraversata da una corrente elettrica variabile; se invece un conduttore è immerso in un campo elettromagnetico, per il principio di reciprocità, in esso si induce una corrente elettrica variabile nel tempo che dipende dalle caratteristiche del campo elettromagnetico.

Per il principio di reciprocità, qualsiasi antenna può funzionare (almeno teoricamente ) sia come antenna trasmittente che come antenna ricevente.

Tra le caratteristiche più importanti di un’antenna vi è la direttività: tutte le antenne irradiano di più in una direzione e meno in altre.

Questa caratteristica, diventa sempre più significativa al crescere della frequenza: le onde radio, infatti, presentano caratteristiche di propagazione sempre più simili a quelle della luce man mano che la frequenza sale: la portata diventa ottica e molti ostacoli non possono essere superati, a meno di fenomeni di riflessione e rifrazione, come nel caso della luce.

Il Radar tradizionale

La direttività e la riflessione dei segnali di frequenza superiore a qualche GHz (1-100 GHz) viene sfruttata nei sistemi radar tradizionali: l’antenna radar, dopo aver inviato un impulso radio in una specifica direzione, si pone in ricezione e, nel caso sia presente un oggetto sulla traiettoria (tipicamente un aereo), ne rileva il segnale riflesso. In funzione del tempo che intercorre tra la trasmissione e la ricezione del segnale radio, è possibile calcolare la distanza del target.

Ė evidente che per coprire un’ampia zona di cielo, l’antenna radar deve essere montata su un sistema meccanico che consenta di effettuare la scansione dell’area che si intende esplorare.

I principali svantaggi di un radar tradizionale riguardano la scarsa affidabilità e la lentezza del sistema meccanico di esplorazione e la disponibilità di un solo flusso di dati (il radar non può “guardare” nello stesso istante in due direzioni differenti).

Per ovviare a tutto ciò, e per rendere il sistema completamente statico, sono state ideate le cosiddette phased array antenna, ovvero delle antenne formate da alcune decine, centinaia o migliaia di piccole antenne collocate su una superficie piana.

L’antenna così realizzata ha la caratteristica di variare la direzione di massima irradiazione o ricezione, in modo prettamente elettronico, ovvero senza modificare meccanicamente la struttura irradiante o ricevente.

Come è possibile tutto ciò?

Ė sufficiente alimentare con ampiezza e fase distinte ciascun elemento dell’array, come si vede nel seguente diagramma:

Il vantaggio di usare una simile configurazione sta nella possibilità di ottenere un diagramma di radiazione configurabile quasi a piacere, variando le ampiezze e le fasi delle singole antenne che compongono l’array.

Ė anche possibile introdurre funzionalità molto più complesse, come quella di dedicare una parte dell’array all’esplorazione di un’area secondaria o di effettuare l’”inseguimento” di uno o più target, controllando opportunamente l’array per ottenere lobi principali e lobi nulli in posizioni desiderate. Il tutto con velocità non paragonabili a quelle di un sistema radar meccanico.

Nella seguente immagine viene evidenziato un sistema sicuramente più semplice e compatto che fa uso di un phased array composto da 16 elementi patch realizzati su un lato di un PCB mentre sul lato opposto sono montati i circuiti integrati che controllano il funzionamento.

Questa tecnologia comporta un elevato carico computazionale sia per decidere la direzione e la forma dei fasci per ogni utente o gruppo di utenti, sia per cambiare effettivamente i fasci delle antenne da una comunicazione all’altra in modo praticamente istantaneo; inoltre questi dispositivi debbono disporre di convertitori ad elevata velocità in grado di operare a frequenze elevatissime. Questo è il motivo per cui solo da poco si è cominciato a pensare ad un utilizzo commerciale di queste tecniche, sfruttando una sempre maggiore disponibilità di circuiti integrati.

La tecnologia Phased Array consente dunque, nei più avanzati sistemi cellulari, di dare vita al cosiddetto “Beamforming” ovvero la capacità, tramite un’antenna phased array, di indirizzare il fascio radio verso un singolo utente di cui si conosce la posizione. L’antenna della stazione base e dell’apparato potranno essere settati con i valori più idonei di fase durante la connessione e il trasferimento dei dati.

Il Beamforming consentirà di concentrare la potenza del segnale utile verso il singolo cliente, diminuendo l’interferenza verso i clienti serviti dalle altre stazioni, grazie all’utilizzo di schiere di antenna opportunamente controllate.

Tornando alla tecnologia Phased array, nella presentazione di Analog Devices viene descritta la tecnologia analogica utilizzata in passato dove ciascun blocco funzionale era realizzato con un singolo IC:

e quella più avanzata dove uno o al massimo due IC realizzano tutte le funzioni necessarie.

Tra i componenti per Phased Array annunciati di recente da Analog Devicer c’è l’ADAR1000: una soluzione a 4 canali per il beamforming attivo dell’antenna che sostituisce 12 componenti discreti necessari per la regolazione di fase-guadagno e i controlli digitali dell’antenna. L’IC supporta il TDD (time division duplexing) sulle bande X e Ku. Integra uno switch T/R (trasmissione/ricezione) che può essere utilizzato per collegare la porta comune alla catena di trasmissione (Tx) oppure di ricezione (Rx). Le quattro coppie di canali Tx e Rx hanno la regolazione programmabile e indipendente per fase e guadagno.

L’ADAR1000 può essere configurato per gestire direttamente tutti gli aspetti d’interfaccia del modulo esterno T/R con un minimo di componenti esterni. Tutte le predisposizioni possono essere caricate nella memoria interna per un rapido accesso agli stati di guadagno-fase e le regolazioni del modulo T/R. L’ADAR1000 offre una struttura scalabile per la rapida implementazione di antenne phased array attive che soddisfano le esigenze dei sistemi radar e di comunicazione di prossima generazione.

ADAR1000, 2×2 Tile X/Ku-band TDD Analog Beamformer e AD9375, ricetrasmettitore RF con predistorsione (DPD).

Per l’ADAR1000 è anche disponibile una Evaluation Board.

Le innovazioni nella progettazione e nei processi IC stanno ora rendendo disponibili i vantaggi della tecnologia phased array per le applicazioni non militari, come il 5G,  la guida autonoma, il rilevamento del tempo, il controllo del traffico aereo e altri ancora.

Analog Devices è in prima linea su questo fronte con una serie di prodotti in grado di fornire le massime prestazioni. Ulteriori informazioni al link: www.analog.com/phasedarray