Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2023, № 1 · RADIO ENGINEERING

Active Phased Array Antennas - State of the Art and Future Trends

A.V. Shishlov1, V.V. Denisenko1, B.A. Levitan1, S.A. Topchiev1, A.M. Shitikov1

1 PJSC “Radiofizika”, Moscow, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2023.1.5 UDC 621.396.67 EDN IBKBBM

Abstract

Modern radio systems with active phased array antennas (APAA) are created in a wide frequency range from the meter range of wavelength to the millimeter range. Due to the development of technology, they are becoming cheaper, lighter and more compact both applying of very large-scale integration circuits and using tile layout. The reduction in price is achieved, in particular, due to the use of silicon-germanium substrates ( SiG e) in microcircuits, which are used in computer technologies, instead of gallium arsenide substrates ( GaAs). The ones can have both radio frequency and digital circuits. The chip can be combined with microwave power amplifiers on GaN or SiC and low-noise receivers on GaAs. In price terms, the number of commercial radio systems being created with APAA on SiGe has already become greater than the number of special-purpose radio systems being created with APAA on GaAs.

  • active phased array antennas
  • digital antenna array
  • digital beam forming
  • optical beam forming
Аннотация (на русском)

Активные фазированные антенные решетки - состояние и тенденции развития

Современные радиосистемы с активными фазированными антенными решетками (АФАР) создаются в широком диапазоне частот от метрового диапазона радиоволн до миллиметрового диапазона. По мере развития технологий они становятся все более дешевыми, легкими и компактными как за счет применения больших интегральных микросхем, так и за счет tile (плиточной) компоновки. Удешевление достигается, в частности, благодаря применению в микросхемах подложек из кремний-германия (SiGe), используемых в компьютерных технологиях, вместо подложек на арсениде галлия (GaAs). Одна такая микросхема может иметь как радиочастотные, так и цифровые цепи. Она может быть объединена с усилителями мощности СВЧ на GaN или SiC и с малошумящими приемниками на GaAs. В стоимостном выражении число создаваемых коммерческих радиосистем с АФАР на SiGe стало уже больше, чем число создаваемых радиосистем специального назначения с АФАР на GaAs.

For citation

Shishlov A.V., Denisenko V.V., Levitan B.A., Topchiev S.A., Shitikov A.M. Active Phased Array Antennas - State of the Art and Future Trends // Journal of Radio Electronics. – 2023. – No. 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.1.5

References

  1. Толкачев А.А., Егоров Е.Н., Шишлов А.В. Некоторые тенденции развития радиолокационных и связных систем. Радиотехника. 2006. №4. C.45-50.
  2. Вендик О.Г. Антенны с немеханическим движением луча. Москва, Советское радио. 1965.
  3. Егоров Е.Н. Основы микроэлектроники СВЧ.-Учебное пособие по курсам "Антенно-фидерные устройства" и "Радиотехнические устройства и системы". Москва, МИЭТ. 1983.
  4. Под ред. Воскресенского Д.И., Канащенкова А.И. Активные фазированные антенные решетки. Москва, Радиотехника. 2009. 488 с.
  5. Воскресенский Д.И., Овчинникова Е.В., Шмачилин П.А. Бортовые цифровые антенные решетки и их элементы. Москва, Радиотехника. 2013. 208 с.
  6. Гостюхин В.Л., Трусов В.Н., Гостюхин А.В. Активные фазированные антенные решетки. Москва, Радиотехника. 2011. 304 с.
  7. Под ред. Верба В.С., Курочкин А.П. Антенно-фидерные и оптоэлектронные устройства. Москва, изд. Концерн Вега. 2013. 352 с.
  8. Инденбом М.В. Антенные решетки подвижных обзорных РЛС. Теория, расчет, конструкции. Москва, Радиотехника. 2015. 416 с.
  9. Пономарев Л.И., Вечтомов В.А., Милосердов А.С., Бортовые цифровые многолучевые антенные решетки для систем спутниковой связи. Москва, изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. 197 с.
  10. Скобелев С.П. Фазированные антенные решетки с секторными парциальными диаграммами направленности. Москва, ООО Издательская фирма "Физико-математическая литература". 2010. 320 с.
  11. Mailloux R.J Phased Array Аntenna Handbook. Second edition. Boston-London, Artech House. 2005. 394 p.
  12. Brookner E. (Editor). Practical Phased Array Antenna Systems. Boston-London, Artech House. 1991. 320 p.
  13. Brookner E. Phased-Array and Radar Breakthroughs. Proceedings of 2007 IEEE Radar Conference. Waltham, USA. 2007. P.37-42. https://doi.org/10.1109/RADAR.2007.374187
  14. Википедия: Закон Мура. [web] Wikipedia. Date of access: 29.10.2022. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Moore's_law
  15. Rebeiz G.M. Advances in SiGe BiCMOS Technology with Chip-Scale Phased Array Applications. Proceedings of 2013 Phased Array Symposium. Boston. 2013 P.1-90.
  16. Rebeiz G.M. SiGe and CMOS for Advanced Phased Array Communication and Radar Systems. Proceedings of 2016 Phased Array Symposium. Boston. 2016. P.1-107.
  17. Marker Reports: Automotive RADAR Market [web] MarketsAndMarkets Date of access: 29.10.2022. URL: https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/automotive-radar-market-75536718.html
  18. Gültepe G., Kanar T., Zihir S., and Rebeiz G.M. A 1024-Element Ku-Band SATCOM Phased-Array Transmitter With 45-dBW Single-Polarization EIRP. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2021. V.69. №9. P.4157-4168. https://doi.org/10.1109/TMTT.2021.3075678
  19. Gültepe G., Kanar T., Zihir S., and Rebeiz G.M. 1024-Element Ku-Band SATCOM Dual-Polarized Receiver with >10-dB/K G/T and Embedded Transmit Rejection Filter. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2021. V.69. №7. P.3484-3495. https://doi.org/10.1109/TMTT.2021.3073321
  20. Денисенко В.В., Козлов В.Н., Колесников Р.А., Корчемкин Ю.Б., Кривошеев Ю.В., Левитан Б.А., Шитиков А.М., Шишлов А.В., Янукьян З.А., Uhm M.S., Yun S.H. Принципы создания активной фазированной антенной решетки для терминалов спутниковой связи на основе многослойной печатной платы. Радиотехника. 2021. T.85. №10. C.42-52.
  21. Анпилогов В., Пехтерев С., Шишлов А. Антенная решетка и абонентский терминал Starlink. Технологии и средства связи. 2021. №S1. C.69-76.
  22. Анпилогов В., Пехтерев С., Шишлов А. Анализ терминалов, планируемых для применения в системах Starlink и OneWeb. Технологии и средства связи. Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание, 2022". 2022. C.30-37.
  23. Под ред. Б.А. Левитана. Технологии радиолокации - к 55-летию ПАО "Радиофизика" 2-е издание. Москва, изд. Вече. 2015. 672 c.
  24. Delos P. Digital Beamforming Accelerates the Evolution to Next-Generation Radar. Microwave Journal. 2017. V.60. №1. P.58-70.
  25. Fulton C., Yeary M., Thompson D., Lake J., and Mitchell A. Digital Phased Arrays: Challenges and Opportunities. Proceedings of the IEEE. 2016. V.104. №3. P.487-503. https://doi.org/10.1109/JPROC.2015.2501804
  26. Ku B.J., Ahn D.-S., Lee S.-P., Shishlov A.V., Reutov A.S., Ganin S.A., and Shubov A.G. Radiation Pattern of Multibeam Array Antenna with Digital Beamforming for Stratospheric Communication System: Statistical Simulation. ETRI Journal. 2002. V.24. №3. P.197-204. https://doi.org/10.4218/etrij.02.0102.0303
  27. Никоноров Н.В., Шандаров С.М. Волноводная фотоника. Санкт Петербург, изд. ИТМО. 2008. 143 c.
  28. Васильев С.А. и др. Волоконные решетки показателя преломления и их применения. Квантовая электроника. 2005. Т.35. №12. С.1085-1103. https://doi.org/10.1070/QE2005v035n12ABEH013041
  29. Urick V.J., Williams K.J., McKinney J.D. Fundamentals of microwave photonics. John Wiley & Sons. 2015. 496 p.
  30. Белкин М.Е., Сигов А.С. Новое направление фотоники - сверхвысокочастотная оптоэлектроника. Радиотехника и электроника. 2009. Т.54. №8. С.901-914.
  31. Edman R.D. et al., Fiber-optic prism true time-delay antenna feed. IEEE Photonics Technology Letters. 1993. V.5. №11. P.1347-1349. https://doi.org/10.1109/68.250065
  32. Meijerink A. et al. Novel Ring Resonator-Based Integrated Photonic Beamformer for Broadband Phased Array Receive Antennas. Journal of Lightwave Technology. 2010. V.28. №1. P.3-18. https://doi.org/10.1109/JLT.2009.2029705
  33. Шишлов А.В. Теория и техника активных фазированных антенных решеток. Москва, МФТИ. 2013.
  34. Applebaum S.P. Adaptive Arrays. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1976. V.24. №5. P.585-598. https://doi.org/10.1109/TAP.1976.1141417
  35. Шишлов А.В., Кривошеев Ю.В., Мельничук В.И. Свойства контурных диаграмм направленности фазированных антенных решеток. Антенны. 2016. Т.8. №228. C.44-58.
  36. Shishlov A.V., Krivosheev Yu.V, Melnichuk V.I. Principal Features of Contour Beam Phased Array Antennas. IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. Waltham-Boston. 2016. P.1-8. https://doi.org/10.1109/ARRAY.2016.7832635
  37. Борисов С.Н., Денисенко В.В., Левитан Б.А., Шишлов А.В. Антенны для широкополосной спутниковой связи на движущемся транспорте. Аналитический обзор. Радиотехника. 2015. №10. С.17-32.
  38. Jeon S.I., Choi J.I., Yim Ch.S., Lee S.P., Shishlov A.V. Vehicular active antenna system with combined electronical and mechanical beam steering for reception from DBS in Ku-band. Proceedings of 28-th Moscow International Conference on Antenna Theory and Technology. Moscow. 1998. P.72-77.
  39. Анпилогов В.Р., Шишлов А.В., Эйдус А.Г. Многолучевые антенные системы HTS. Технологии и средства связи. 2013. Т.6-2. №99. C.54-67.
  40. Шишлов А.В., Левитан Б.А., Топчиев С.А., Анпилогов В. Р., Денисенко В.В. Многолучевые антенны для систем радиолокации и связи. Журнал радиоэлектроники. 2018. №7. C.1-40.
  41. Rotman W., Turner R. Wide-angle microwave lens for line source applications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1963. V.11. №6. P.623-632. https://doi.org/10.1109/TAP.1963.1138114
  42. Шубов А.Г., Денисенко В.В., Майоров А.В., Шалякин А.И., Шишлов А.В. Опыт разработки линз Ротмана для различных частотных диапазонов. Антенны. 2001. Т.6. №52. С.23-28.
  43. Венецкий А.С., Калошин В.А., Нгуен К.Т., Фролова Е.В. Синтез и исследование сверхширокополосной планарной трехзеркальной системы. Журнал радиоэлектроники. 2018. №1 С.5-5.
  44. Калошин В.А., Ви У.Н. Синтез зеркально-линзовой бифокальной цилиндрической системы с минимальными аберрациями. Радиотехника и электроника. 2022. Т.67. №3. C.249-258.
  45. Калошин В.А., Ви У.Н. Cинтез бифокальных диэлектрических линз. Журнал радиоэлектроники. 2022. №2.
  46. Калошин В.А., Ви У.Н. Широкоугольные многолучевые антенны на основе бифокальных систем. Журнал радиоэлектроники. 2022. №3. С.27.
  47. Mailloux, R.J., Phased Array Architecture. IEEE Proceedings. 1992. V.80. №1. P.163-172.
  48. Sanzgiri S., Bostrom D. Pottenger W., Lee R.-Q. A Hybrid Tile Approach for Ka Band Subarray Modules. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1995. V.43. №9. P.953-959. https://doi.org/10.1109/8.410212
  49. Geise A., Jacob A.F., Flex-rigid architecture for active millimeter-wave antenna arrays. 2009 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest Boston. 2009. https://doi.org/10.1109/MWSYM.2009.5165820
  50. Moon J.-Y., Yun S.-W., Ahn Ch.-S., Kim S.-J., New Tile Structure for Microwave Modules Using Solderless Vertical Interconnections. Microwave Journal. 2012. V.55. №10. P.1-7.
  51. Под ред. Шишлова А.В. Радиофизика 60 лет. 2020. Москва, ПАО Радиофизика. 144 с.
  52. Holzwarth S., Jacob A.F., Dreher A., Hunscher C., Fischer H., Stark A., Rohrdantz B., Geise A., Kuhlmann K., Gieron R., Litschke O., Lohmann D., Simon W., Buchner P., Heckler M.V.T., Greda L.A. Active Antenna Arrays at Ka-Band: Status and Outlook of the SANTANA Project. Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation. Barcelona. 2010. P.1-5.
  53. Ortiz J. A., Salazar J.L., D'ıaz J., Sim S., Aboserwal N., Chun J., and Jeon L. Ultra-compact universal polarization X-band unit Cell for High-Performance Active Phased Array Radar. IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. Waltham-Boston. 2016. P.5. https://doi.org/10.1109/ARRAY.2016.7832592
  54. Bar-Cohen A., Albrecht J., Altman D., Maurer J. Thermal Management of Active Electronically Scanned Arrays. 2013 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. Boston, USA. 2013. P.150.
  55. Воронеж (радиолокационная станция). [web] Wikipedia. Date of access: 29.10.2022. URL: Воронеж (радиолокационная станция)
  56. Haimerl J.A., Hudson B., Fonder G.P., Lee D.K. Overview of the Large Digital Arrays of the Space Fence Radar. 2016 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. Waltham, MA, USA 2016. P.4. https://doi.org/10.1109/ARRAY.2016.7832538
  57. Sarcione M., Mulcahey J., Schmidt D., Chang K., Russell M., Enzmann R., Rawlinson P., Gluzak W., Howard R. and Mitchell M., The Design, Development and Testing of the THAAD (Theater High Altitude Area Defense) Solid State Phased Array (formerly Ground Based Radar). Proceedings of International Symposium on Phased Array Systems and Technology. Boston. 1996. P.260-265. https://doi.org/10.1109/PAST.1996.566096
  58. Wikipedia. Sea Based X-band Radar [web]. Wikipedia. Date of access: 29.10.2022. Url: https://en.wikipedia.org/wiki/Sea-based_X-band_Radar
  59. КРЭТ на МАКС-2013 представил более 70 не имеющих аналогов за рубежом разработок. [web] Технополис завтра. Date of access: 29.10.2022. URL: https://kramtp.info/novosti/interesnoe/full/29626
  60. Под ред. Синани А.М., Кауфмана Г.В. Антенны и радары с электронным управлением лучом. Москва, Радиотехника. 2016. 234 с.
  61. Milin J.-L., Moore S., Bürger W., Triboulloy P.-Y., Royden M., Gerster J. AMSAR - A France-UK-Germany success story in active-array radar. 2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. 2010. P.11-18. https://doi.org/10.1109/ARRAY.2010.5613398
  62. Monk D, Adler O. Calibration and Rf Test of Connexion by Boeing Airborne Phased Arrays. Proceedings 2003 IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology. P.405-410. https://doi.org/10.1109/PAST.2003.1257016
  63. Lafond J.C., Vourch E., Delepaux F., Lepeltier P., Bosshard P., Dubos F., Feat C., Labourdette C., Navarre G., Bassaler J.M. Thales Alenia Space Multiple Beam Antennas for Telecommunication Satellites. The 8th European Conference on Antennas and Propagation. (EuCAP 2014). 2014. P.186-190. https://doi.org/10.1109/EuCAP.2014.6901723
  64. Rohwer A.B., Desrosiers D.H., Bach W., Estavillo H., Makridakis P., Hrusovsky R. Iridium Main Mission Antennas - A Phased Array Success Story and Mission Update. 2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. 2010. P.504-511. https://doi.org/10.1109/ARRAY.2010.5613319
  65. Croq F., Vourch E., Reynaud M., Lejay B., Benoist Ch., Couarraze A., Soudet M., Caratit P., Vicentinit J., Mannocchi G. The Globalstar 2 Antenna Sub-System. 3rd European Conference on Antennas and Propagation. 2009. P.598-602.
  66. Egorov E.N., Epshtein A.L., Guskov G.Ya., Levitan B.A., Sbitnev G.V., Shishlov A.V. New Technologies in Multibeam and Scanning Antennas for Communication Systems. Proceedings of APSCC'94 Workshop. Seoul, Korea. 1994. P.211-221.
  67. Егоров Е.Н., Сбитнев Г.В., Чистюхин В.В. Очерки развития техники твердотельных активных фазированных решеток в зеленоградской школе СВЧ микроэлектроники. Радиотехника 2010. №4. C.6-13.
  68. Ефимов А.Г., Каменев А.Г., Корнеев С.А., Чистюхин В.В. Принципы проектирования бортовых многолучевых приемных АФАР систем спутниковой связи. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2020. Т.25. №1. С.73-78.
  69. Fang R.J.F. Broadband IP Transmission over SPACEWAY® Satellite with On-Board Processing and Switching. Proceedings of IEEE Globecom Conference. 2011. P.1-5. https://doi.org/10.1109/GLOCOM.2011.6133770
  70. Waldschmidt C., HASCH J., Menzel W. Automotive Radar-From First Efforts to Future Systems. IEEE Journal of Microwaves. 2021. V.1. №1. P.135-148. https://doi.org/10.1109/JMW.2020.3033616
  71. Анпилогов В., Денисенко В., Зимин И., Кривошеев Ю., Чекушкин Ю., Шишлов А. Проблемы создания антенн с электрическим сканированием луча для абонентских терминалов спутниковых систем связи в Ku- и Ka-диапазонах. Первая миля. 2019. Т.3. №80. С.16-27.
  72. Sarcione M., and Puzella A. Technology Trends for Future Low Cost Phased Arrays. 2010 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. Anaheim. 2010. P.688-690 https://doi.org/10.1109/MWSYM.2010.5515448
  73. Виленко И.Л., Кривошеев Ю.В., Шишлов А.В., Гибридные зеркальные антенны с облучающими активными фазированными решетками. Антенны. 2011. Т.10. №173. C.1-22.
  74. Shishlov A.V., Vilenko I.L., Krivosheev Yu. V., Active Array Fed Reflector Antennas. Practical Relations and Efficiency. Proceedings of the 6-th European Conference on Antennas and Propagation. Prague. March 2012. P.5. https://doi.org/10.1109/EuCAP.2012.6206228
  75. Shishlov A.V., Vilenko I.L., Krivosheev Y.V. Asymptotic theory, design and efficiency of array-fed reflector antennas. 2013 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. Boston. 2013. P.320-327. https://doi.org/10.1109/ARRAY.2013.6731848
  76. Reutov A.S., Shishlov A.V. Focuser-Based Hybrid Antennas For One-Dimensional Beam Steering. Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology. Dana Point, California. 2000. P.411-414. https://doi.org/10.1109/PAST.2000.858986
  77. Jung Y.-B., Eom S.-Y., Jeon S.-I., Kim Ch.J., Shishlov A.V. Novel Hybrid Antenna Design Having A Shaped Reflector for Mobile Satellite Communication Applications. Antennas and Propagation Society International Symposium. (APS-URSI). 2010. P.1-4. https://doi.org/10.1109/APS.2010.5561055
  78. Jung Y.-B., Shishlov A.V., Park S.-O. Cassegrain Antenna With Hybrid Beam Steering Scheme for Mobile Satellite Communications. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2009. V.57. №5. P.1367-1372 https://doi.org/10.1109/TAP.2009.2016706