Circuiti integrati per il beamforming phased array semplificano la progettazione delle antenne

I sistemi di antenna phased array si stanno sempre più diffondendo grazie alla disponibilità delle più avanzate tecnologie a semiconduttore che consentono la riduzione al minimo di dimensioni, peso e consumo energetico.

Radar e sistemi di comunicazione wireless richiedono architetture di antenna con prestazioni sempre più potenti. Molte delle future applicazioni saranno realizzabili a condizione che le antenne, rispetto ai sistemi tradizionali a orientamento meccanico, presentino un profilo più basso e consumino meno energia. Tali requisiti vanno di pari passo con la necessità di riposizionare l’antenna più velocemente, a seguito di una nuova minaccia o alla presenza di un nuovo utente, di trasmettere molteplici flussi dati e di funzionare per un periodo di vita utile più esteso e con budget di spesa molto competitivo. In alcune applicazioni, può essere necessario neutralizzare un segnale di blocco in arrivo e avere una bassa probabilità di intercettazione. Queste difficoltà vengono superate con progetti basati su sistemi di antenna phased array, che si stanno diffondendo sempre più nell’industria. Gli svantaggi precedentemente evidenziati dai sistemi di antenna phased array vengono oggi superati grazie alle più avanzate tecnologie a semiconduttore, che consentono la riduzione al minimo di dimensioni, peso e consumo energetico.

Introduzione

I sistemi elettronici wireless, che utilizzano antenne per ricevere e trasmettere segnali, sono in uso da oltre 100 anni. Questi sistemi sono oggetto di continuo miglioramento, perché le esigenze in termini di accuratezza, efficienza e altre metriche avanzate sono sempre più marcate. Negli ultimi anni, dove la direttività ha ricoperto un ruolo importante, per trasmettere (Tx) e ricevere (Rx) segnali è stato fatto ampio uso dell’antenna parabolica e, dopo anni di ottimizzazione, molti sistemi di questo tipo lavorano ancora egregiamente e a costi relativamente contenuti. Tali antenne, dotate di un braccio meccanico per ruotare la direzione di emissione, presentano dei limiti: una certa lentezza di rotazione, dimensioni notevoli, scarsa affidabilità a lungo termine e un’emissione di segnale irradiato, ovvero flusso dei dati, solamente in una direzione. Di conseguenza, per migliorare questi aspetti e aggiungere nuove funzionalità, gli ingegneri hanno puntato sui nuovi sistemi avanzati di antenna in tecnologia phased array, orientabili elettronicamente che, in confronto a quelli tradizionali a movimento meccanico, presentano aspetti positivi quali basso profilo, volume inferiore, affidabilità sul lungo termine superiore, orientamento veloce e la possibilità di avere fasci multipli. A fronte di tali vantaggi, l’industria li sta adottando in applicazioni militari, comunicazioni satellitari (satcom) e telecomunicazioni 5G, compresa la connettività in campo automotive.

La tecnologia phased array

Un’antenna phased array è costituita da un gruppo di elementi radianti assemblati in modo tale che il pattern di emissione di ogni singolo elemento interferisca costruttivamente con le antenne adiacenti, formando un lobo di emissione detto “lobo principale”. Quest’ultimo trasmette l’energia irradiandola nella direzione desiderata, mentre l’antenna è progettata per interferire in modo distruttivo su segnali che hanno direzioni non volute, formando lobi nulli e laterali. L’array d’antenna è progettato per massimizzare l’energia irradiata dal lobo principale, riducendo nel contempo a un livello accettabile quella destinata ai lobi laterali. La direzione di emissione può essere controllata alterando la fase dei segnali inviati a ogni elemento dell’antenna. [boris]

La Figura 1 illustra il modo in cui, per un array lineare, il controllo di fase del segnale di ciascuna antenna può effettivamente orientare il fascio nella direzione desiderata. Ne risulta che, per formare il pattern di emissione previsto nell’array, ogni antenna disponga di una regolazione indipendente di fase e ampiezza. In un sistema phased array, la possibilità di deviare velocemente il fascio senza parti meccaniche in movimento è facilmente intuibile. Le regolazioni di fase, con IC a semiconduttori, possono essere realizzate in termini di nanosecondi, permettendo di cambiare la direzione di radiazione del pattern per rispondere velocemente a minacce imminenti o a comandi degli utenti. Similmente, è possibile passare da un beam irradiato a uno zero effettivo per assorbire un’interferenza, rendendo l’oggetto invisibile, come nei velivoli a tecnologia stealth. Tali variazioni nel riposizionamento dei pattern irradiati o la loro variazione allo zero effettivo possono essere eseguite quasi istantaneamente, potendo cambiare la fase elettronicamente, mediante dispositivi basati su IC, invece di utilizzare componenti meccanici. Un ulteriore vantaggio, offerto dall’antenna phased array rispetto all’equivalente meccanico, consiste nella possibilità di irradiare simultaneamente fasci multipli, i quali possono seguire bersagli diversi o gestire dati utenti su canali multipli: una funzione ottenuta mediante l’elaborazione digitale del segnale dei molteplici flussi dati, a frequenze in banda base.

Figura 1. Teoria elementare del diagramma degli elementi di un phased array.

L’implementazione tipica di questo array usa elementi di antenna a microstriscia configurati in righe e colonne equidistanti, in moduli 4×4, per un totale complessivo di 16 elementi. Nella sottostante Figura 2 è illustrato un piccolo array di 4×4, con le antenne a microstriscia superficiali utilizzate come elementi irradianti; l’array può crescere notevolmente nei sistemi radar di terra, potendo superare anche i 100.000 elementi.

Figura 2. Illustrazione del pattern di emissione per un array di 4×4 elementi.

Tra la dimensione dell’array e la potenza di ciascun elemento radiante, che ha un impatto sulla direttività del fascio e l’effettiva potenza irradiata, si devono considerare alcune scelte di progetto. Le prestazioni dell’antenna possono essere previste considerando alcune ben note figure di merito. Spesso, i progettisti di antenne si concentrano sul guadagno e sulla potenza isotropica effettiva irradiata (EIRP), così come sul rapporto Gt/Tn. Di seguito, vengono illustrate alcune semplici equazioni che possono essere utilizzate per descriverne i parametri. Da notare che guadagno d’antenna e EIRP sono direttamente proporzionali al numero di elementi nell’array: ciò può portare alle imponenti strutture visibili nelle applicazioni radar terrestri.

dove

N	=	numero degli elementi
Ge	=	guadagno dell’elemento
Gt	=	guadagno d’antenna
Pt	=	potenza complessiva del trasmettitore
Pe	=	potenza per ogni elemento
Tn	=	temperatura di rumore

Un altro aspetto fondamentale nel progetto delle antenne phased array è la spaziatura degli elementi che compongono l’antenna stessa. Una volta stabiliti gli scopi del sistema, definendo il numero degli elementi, il diametro dell’array fisico è notevolmente condizionato dal limite secondo il quale ogni unità di cella deve avere dimensioni approssimativamente inferiori alla metà della lunghezza d’onda; ciò al fine di prevenire la formazione di lobi indesiderati, che corrispondono alla quantità di energia irradiata in direzioni non volute. Questo pone dei requisiti molto stretti sull’elettronica da includere nell’array, che deve avere dimensioni, consumi e peso limitati. La spaziatura a mezza-onda rende i progetti particolarmente critici alle frequenze più elevate, dove la lunghezza utile di ciascuna cella si riduce. Tutto ciò fa sì che gli IC, destinati alle frequenze più elevate, siano sempre più integrati, le soluzioni di packaging più avanzate e le tecniche di gestione termica semplificate.

Durante la realizzazione dell’intera antenna, nel progetto dell’array, si possono incontrare numerose difficoltà, comprese dislocazione delle linee di controllo, gestione dell’alimentazione, circuiteria pulsata, gestione termica, considerazioni ambientali, ecc. Nell’industria la tendenza verso array a basso profilo, meno voluminosi e più leggeri è molto forte. L’architettura tradizionale a listelli utilizza file di piccoli PCB, con i relativi componenti elettronici, collocati perpendicolarmente sul retro del PCB principale dell’antenna. L’approccio è stato perfezionato negli ultimi vent’anni, riducendo costantemente le dimensioni del listello e quindi la profondità dell’antenna. I progetti di futura generazione stanno passando da questa architettura a listelli a un approccio a pannello piatto dove, in ciascun IC, esiste un livello di integrazione sufficiente da permetterne la collocazione semplicemente sul retro della scheda d’antenna, riducendone significativamente la profondità e rendendo più semplice la loro integrazione in applicazioni portatili o per avionica. Nella Figura 3, l’immagine a sinistra mostra gli elementi dorati dell’antenna sulla superficie del PCB e quella sulla destra il front end analogico dell’antenna sul lato inferiore dello stesso PCB. Questo è soltanto uno dei componenti dell’antenna, alle cui estremità vi potrebbero essere, per esempio, uno stadio di conversione di frequenza e una rete di distribuzione, che trasferisce l’RF da un ingresso unico all’intero array. Si può facilmente notare come un maggiore livello di integrazione dell’IC possa ridurre drasticamente le difficoltà nel progetto dell’antenna, diventando quest’ultima sempre più piccola e con più elettronica concentrata in spazi ridotti; per rendere queste soluzioni percorribili il progetto di un’antenna richiede l’ausilio delle nuove tecnologie dei semiconduttori.

Figura 3. Un array a pannello piatto che mostra le antenne a microstriscia sul lato superiore del PCB, mentre gli IC si trovano su quello inferiore.

Differenze tra beamforming digitale e analogico

La maggior parte delle antenne phased array progettate in passato ha utilizzato un sistema di beamforming analogico, nel quale la regolazione di fase avveniva a livello RF o IF e dove esisteva un singolo set di convertitori per l’intera antenna.

Attualmente sta crescendo l’interesse per il beamforming digitale, dove si dispone di un set di convertitori per ogni elemento dell’antenna e la regolazione di fase è realizzata con tecniche digitali nell’FPGA o in alcuni convertitori. A favore del beamforming digitale si riscontrano molti vantaggi, a partire dalla possibilità di trasmettere facilmente più di un fascio o addirittura di cambiarne il numero quasi istantaneamente. Questa notevole flessibilità risulta di grande attrattiva in numerose applicazioni e spinge verso la sua adozione. I miglioramenti continui, attuati nei data converter, ne stanno riducendo la dissipazione di potenza e si stanno espandendo verso frequenze più alte, dove i campionamenti RF nelle bande L e S stanno facendo di questa tecnologia una realtà nei sistemi radar. Nel considerare l’adozione del beamforming digitale rispetto a quello analogico ci sono diverse considerazioni da fare e, solitamente, l’analisi è condizionata dal numero dei fasci necessari, dalla potenza dissipata e dai budget a disposizione. L’approccio verso il beamforming digitale, avendo un data converter per ogni elemento, dissipa una potenza maggiore ma offre grande flessibilità per la possibilità di creare fasci multipli. I data converter richiedono anche un intervallo dinamico più ampio perché, per rigettare i blocker, il beamforming viene effettuato soltanto dopo la digitalizzazione. Il beamforming analogico può supportare, a sua volta, anche i fasci multipli, ma richiede un canale addizionale per la regolazione di fase per ciascun fascio. Per esempio, creare un sistema a 100 fasci implicherebbe di centuplicare il numero dei traslatori di fase RF di un sistema a un fascio, per cui le considerazioni sul costo dei data converter rispetto a quello degli IC per la regolazione di fase può variare a seconda del numero dei fasci. Analogamente, l’approccio verso il beamforming analogico, che utilizza traslatori di fase passivi, prevede una dissipazione di potenza solitamente più bassa ma, all’aumentare del numero dei fasci, quest’ultima aumenterà in ogni caso se, per gestire la rete di distribuzione, si renderanno necessari ulteriori stadi per il controllo del guadagno. Un compromesso piuttosto comune consiste nell’approccio verso il beamforming ibrido, dove si utilizzano dei sub-array, a beamforming analogico, seguiti da alcuni sistemi per la combinazione digitale dei segnali, che provengono dagli stessi sub-array. Nell’industria, tutto ciò suscita un interesse crescente, che continuerà a evolversi negli anni a venire.

La tecnologia a semiconduttore

Un sistema radar a impulsi tradizionale trasmette un segnale che viene riflesso da un oggetto, attendendo l’impulso di ritorno per mapparlo nel campo visivo dell’antenna. Tradizionalmente, questa soluzione si fondava su componenti discreti per il front-end d’antenna, solitamente basati su tecnologie ad Arseniuro di Gallio. Gli IC utilizzati come moduli, per comporre queste antenne phased array, sono illustrati nella Figura 4: un phase shifter per la regolazione della fase di ciascun elemento dell’antenna (che in ultima analisi indirizzano l’emissione dell’antenna), un attenuatore in grado di restringere il fascio, un amplificatore di potenza utilizzato per trasmettere il segnale e un amplificatore a basso rumore utilizzato per riceverlo, così come uno switch per passare dalla trasmissione alla ricezione. Nelle implementazioni precedenti, per raggiungere questo livello di funzionalità, ognuno di questi IC poteva essere racchiuso in un package di 5 × 5 mm o, in soluzioni più avanzate, si poteva disporre di un IC monolitico GaAs a singolo canale.

Figura 4. Esempio di un tipico front-end RF di un’antenna phased array.

La recente proliferazione di antenne phased array è stata resa possibile dai progressi nella tecnologia a semiconduttori. I nodi avanzati in SiGe BiCMOS, SOI (silicon-on-insulator) e bulk CMOS hanno combinato la circuiteria digitale per controllare la direzionalità nell’array, nonché il percorso di segnale RF, per ottenere le regolazioni di fase e ampiezza in un unico IC. Oggi è possibile disporre di IC beamforming multicanale in grado di regolare guadagno e fase in una configurazione a 4 canali, fino a 32 canali destinati a progetti per onde millimetriche. In alcuni casi di utilizzo a potenza ridotta, un IC in silicio potrebbe rappresentare la soluzione monolitica per tutte le funzioni descritte in precedenza. Nelle applicazioni a potenza elevata, gli amplificatori basati su Nitruro di Gallio hanno aumentato in modo significativo la densità di potenza, collocandosi nelle unità di cella delle antenne phased array, che normalmente sarebbero state realizzate tramite PA basati su “traveling wave tube” (TWT) o PA a potenza relativamente bassa basati su GaAs. Nelle applicazioni per avionica si nota un trend verso le architetture a pannello piatto con i vantaggi “power added efficiency” (PAE) della tecnologia GaN. Quest’ultima ha anche permesso di convertire grandi impianti radar terrestri, passando dall’antenna parabolica pilotata da un TWT alla tecnologia basata sulle antenne phased array. Attualmente possiamo disporre di IC monolitici GaN in grado di erogare potenze di oltre 100 watt, con un PAE superiore al 50%, combinandolo con il basso duty cycle delle applicazioni radar, e dimensioni, peso e costo degli array d’antenna. Un ulteriore vantaggio rispetto alla pura capacità di potenza del GaN consiste nella riduzione delle dimensioni, in confronto alle soluzioni IC GaAs esistenti. Confrontando un amplificatore di potenza GaAs da 6 W a 8 W in banda X, con soluzione basata su GaN, gli ingombri si riducono almeno del 50%. Quando si collocano le elettroniche nell’unità di cella di un’antenna phased array, la riduzione di volume diventa importante.

I circuiti integrati phased array di Analog Devices

Analog Devices ha sviluppato degli IC beamforming analogici destinati a supportare un campo di applicazioni che comprende radar, comunicazioni satellitari e telecomunicazioni 5G. L’IC beamforming in banda X/Ku ADAR1000 è un dispositivo a 4-canali che copre da 8 a 16 GHz funzionando in modalità “time division duplex” (TDD), con trasmettitore e ricevitore integrati in un unico IC. Questa scelta è ideale per applicazioni radar in banda X, così come per comunicazioni satellitari in banda Ku, dove l’IC può essere configurato per operare in modalità solo-transceiver o solo-ricevitore. L’IC a 4-canali è racchiuso in un package QFN per montaggio superficiale di 7 × 7 mm per una facile integrazione negli array planari, dissipa solo 240 mW/canale in trasmissione e 160 mW/canale in ricezione. I canali ricetrasmittenti e riceventi sono portati direttamente all’esterno, progettati per la connessione a un modulo front-end (FEM) proposto da ADI. La Figura 5 mostra il controllo di guadagno e di fase con piena copertura a 360°, dove è possibile operare variazioni di fase inferiori a 2,8°, con un controllo di guadagno migliore di 31 dB. L’ADAR1000 possiede una memoria on-chip che permette di conservare lo stato di funzionamento di 121 beam, dove un singolo stato contiene tutte le predisposizioni di fase e guadagno per l’intero IC. Il trasmettitore fornisce un guadagno di circa 19 dB con 15 dBm di potenza saturata, con un guadagno in ricezione di circa 14 dB. Un altro parametro fondamentale è rappresentato dalla variazione di fase rispetto al controllo di guadagno che è approssimativamente di 3° su un intervallo di 20 dB. Allo stesso modo, la variazione di guadagno rispetto al controllo di fase è di circa 0,25 dB sull’intera copertura di fase a 360°, facilitando le sfide di calibrazione.

Figura 5. Diagramma guadagno/(return loss) in Tx dell’ADAR1000, con frequenza = 11,5 GHz.

Questo IC beamforming è stato sviluppato per applicazioni phased array analogiche o architetture ad array ibrido, che combinano il beamforming digitale con l’analogico. Analog Devices offre una soluzione completa dall’antenna ai componenti minimi, compresi i data converter, convertitori di frequenza, e per il beamforming analogico, così come il modulo di front-end. Il chipset combinato consente ad Analog Devices di unire le funzionalità e ottimizzare in modo appropriato gli IC, permettendo ai propri clienti di implementare più facilmente il progetto dell’antenna.