O engenheiro

May 20, 2023

Pedro Delos

Líder da Seção de Design, Dispositivos Analógicos

Introdução

Estamos testemunhando um momento histórico para a eletrônica de radiofrequência (RF) em aplicações de phased array. Os rápidos avanços na indústria sem fio proliferaram a integração e a miniaturização da eletrônica de RF. Muitas aplicações agora colhem os benefícios dessas conquistas. A integração de grandes seções da cadeia de sinal em circuitos integrados (ICs) completos possibilitou antenas phased array em particular. Novos sistemas estão proliferando com implementações de formação de feixe analógico ou de formação de feixe digital, alimentadas por lançamentos recentes de IC nos mercados amplos.

Na Analog Devices, recebemos rotineiramente consultas e solicitações de entrevista de clientes e editores. O portfólio completo que oferece uma solução de antena para bits que vai desde RF até conversores de alta velocidade, transceptores, PLLs e energia, juntamente com integração avançada, criou uma experiência em arquitetura de sistema. Há muita curiosidade sobre nossos desenvolvimentos que abrangem toda a cadeia de sinais de RF que permitirão os phased arrays do futuro.

Este artigo resume algumas das consultas rotineiras que estão espalhadas de várias formas na Internet em uma discussão mais abrangente. Começamos com um breve histórico da evolução do phased array, discutimos tendências e desafios da arquitetura, oferecemos insights sobre nossa visão dos desenvolvimentos recentes e oferecemos links para artigos e webcasts que fornecem mais detalhes sobre vários tópicos.

Vamos começar com a evolução dos phased arrays. Como chegamos aqui?

Grande parte do trabalho inicial de phased array foi desenvolvido para aplicações de radar, portanto, considerar a evolução das implementações de antenas de radar fornece uma boa visão de como as modernas antenas digitais de formação de feixe foram concebidas. Por necessidade, o desenvolvimento significativo do radar foi acelerado durante e após a Segunda Guerra Mundial. Após a Segunda Guerra Mundial, a maior parte da matemática usada hoje para processamento de formas de onda e radar foi elaborada em vários laboratórios e organizações governamentais.

Uma importante técnica de processamento de radar é a compressão de pulso. A compressão de pulso é habilitada por opções de forma de onda, como modulações de frequência linear (LFMs) e códigos de fase, onde o pulso na saída do filtro correspondente é muito mais curto que o pulso transmitido. A quantidade de compressão de pulso está diretamente relacionada à largura de banda do sinal. Tudo isso foi documentado e compreendido na década de 1960. Alguns dizem que o radar nasceu com compressão de pulso. Com a matemática compreendida, os desenvolvimentos de implementação estendida continuaram e, em última análise, levaram ao moderno Phased Array.

As primeiras implementações contavam com antenas parabólicas rotativas com RF de alta potência sendo gerada em amplificadores valvulados. As antenas rotativas foram então substituídas pelas primeiras antenas phased array, que foram usadas para radares de altíssimo desempenho. Os amplificadores valvulados de alta potência (HPAs) permaneceram e o fluxo do sinal de transmissão foi: HPAs valvulados → distribuição de guia de onda → deslocadores de fase → elementos radiantes. O beamforming era um sistema totalmente analógico. Na recepção, vários padrões de feixe podiam ser feitos, mas o processo era complexo e caro, por isso era normalmente limitado a alguns feixes. Sistemas de antenas para radares monopulsos poderiam ser implementados desta forma. O primeiro passo em direção aos phased arrays de estado sólido foi a introdução de módulos de transmissão/recepção (T/R) distribuídos em cada elemento, com as primeiras implementações ainda usando beamforming analógico com processamento de back-end semelhante. O módulo T/R consiste em um HPA de estado sólido para transmissão, um amplificador de baixo ruído (LNA) para recepção e um circulador ou interruptor para controlar a direção da energia de RF (transmissão ou recepção) da antena.

A transição atual em andamento é a migração para phased arrays com formação de feixes digitais. Arquiteturas híbridas que consistem em submatrizes analógicas formadas por feixe e, em seguida, receptores e ADCs atrás de cada submatriz, permitem que a formação de feixe digital forme muitos feixes dentro do padrão de submatriz. Os phased arrays digitais de cada elemento incluem receptores e geradores de forma de onda atrás de cada elemento. O phased array digital formado por feixe de cada elemento é o capacitador para padrões de antena verdadeiramente definidos por software. Muitos feixes podem ser formados simultaneamente em diversas direções, e os padrões de antena podem ser controlados de forma adaptativa, incluindo nulos. Devido à programabilidade em nível de sistema, os phased arrays digitais de cada elemento tornaram-se o objetivo de muitos arquitetos de antenas.