摘要

相控陣雷達系統(tǒng)利用多個發(fā)射和接收通道來實現(xiàn)正常運行。以前，這些平臺在構造時都使用獨立的發(fā)射和接收集成電路(IC)。這些系統(tǒng)在發(fā)射(Tx)電路的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和接收(Rx)電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中分別使用單獨的芯片。這種區(qū)分使得許多系統(tǒng)尺寸龐大、成本高昂且功耗高，如此才能獲得所需的通道數(shù)量，進而發(fā)揮所需的功能。由于制造和校準過程復雜，這些系統(tǒng)通常也需要很長時間才能上市。但是，最近出現(xiàn)一種利用集成收發(fā)器的方法，它將許多曾經(jīng)被認為完全不同的功能融合到單個IC之中。這些IC助力實現(xiàn)了小尺寸、低功耗和低成本、具有高通道數(shù)量的相控陣雷達系統(tǒng)，且上市時間更短。

集成式收發(fā)器簡介

集成式收發(fā)器(例如圖1所示的收發(fā)器)將多種功能集成到單個IC上。例如，新型收發(fā)器將DAC、ADC、本振(LO)頻率合成器、微處理器、混頻器，以及更多功能集成到12 mm × 12 mm單芯片產(chǎn)品中。此外，該產(chǎn)品還集成了兩個接收通道和兩個發(fā)射通道，以及多個數(shù)字信號處理(DSP)組件，以獲得系統(tǒng)所需的瞬時帶寬。還提供一個應用程序接口(API)，用于操作客戶平臺上的收發(fā)器。可以利用片內(nèi)前端網(wǎng)絡實現(xiàn)增益和衰減控制。內(nèi)置的初始化和跟蹤校準例程用于提供許多通信和軍事應用所需的性能。

圖1.ADRV9009是將多種功能集成到單個IC中的集成式收發(fā)器示例。

這些集成式收發(fā)器能夠通過注入一個稱為REF_CLK的參考時鐘信號來創(chuàng)建發(fā)射器和接收器所需的所有時鐘信號。然后，由片內(nèi)鎖相環(huán)(PLL)合成DAC/ADC采樣、LO生成和微處理器時鐘所需的所有時鐘。如果內(nèi)部LO相位噪聲不足以滿足客戶的應用需求，用戶可以選擇注入自己的低相位噪聲外部LO。

來自部件的數(shù)據(jù)經(jīng)由標準化的JESD204b多千兆串行數(shù)據(jù)接口進行卸載。這個接口支持同時接收和傳輸大量數(shù)據(jù)。新集成式收發(fā)器解決方案可以幫助提供接口IP，幫助客戶加快上市時間。如果需要確定性延遲和數(shù)據(jù)同步，用戶可以利用內(nèi)置的多芯片同步(MCS)特性，并發(fā)出SYS_REF信號作為初始通道對齊序列(ILAS)的主時序基準。1

此外，可以利用內(nèi)置的RFPLL相位同步特性，將發(fā)射或接收通道的LO相位設置為相對于主參考相位具備確定性。通過利用MCS和RFPLL相位同步特性，可以在初始化部件、頻率調(diào)諧，或者開關軟件上的無線電時復制相位對齊。圖2顯示了一個新型集成式收發(fā)器示例，該收發(fā)器提供決定性相位，且支持所有這些特性。

圖2.內(nèi)置RFPLL相位同步特性讓系統(tǒng)與主參考源之間呈確定性相位關系。

圖3.可使用多個集成式收發(fā)器來增加系統(tǒng)的通道數(shù)量。

使用多個集成式收發(fā)器

如果系統(tǒng)需要兩個以上接收器和兩個發(fā)射器，用戶仍然能使用多個集成式收發(fā)器，從因為單芯片接收和發(fā)射通道實現(xiàn)的小尺寸中獲益。該技術的示例如圖3所示?？梢酝ㄟ^使用并發(fā)型SYS_REF脈沖來同時觸發(fā)所有IC的內(nèi)部分壓器，從而同步多個集成式收發(fā)器。這些SYS_REF脈沖可由時鐘芯片或基帶處理器發(fā)出，附帶可編程延遲，該延遲是造成各IC之間的路徑長度不匹配的原因?？缍鄠€芯片的數(shù)據(jù)路徑和多個LO都可以是確定性的。

集成式收發(fā)器是支撐相控陣雷達平臺的中堅力量

通過使用同步集成式收發(fā)器來增加通道數(shù)量，讓這些器件成為支撐相控陣雷達平臺的中堅力量。結合相位和幅度對齊的發(fā)射和接收通道時，使用多個集成式收發(fā)器可以展示系統(tǒng)級的動態(tài)范圍、雜散和相位噪聲改善。

片內(nèi)DSP特性，例如數(shù)控振蕩器(NCO)和數(shù)字上變頻器，或者數(shù)字下變頻器(DDC)，現(xiàn)在支持在單個IC內(nèi)采用系統(tǒng)級雜散去相關方法。

通過使用多個集成式收發(fā)器來組合收發(fā)器通道，用于展示系統(tǒng)級噪聲譜密度(NSD)和雜散性能都得到改善。此舉通過降低系統(tǒng)的有效本底噪聲，同時維持通道的全部功能來改善相控陣雷達系統(tǒng)的動態(tài)范圍。圖4顯示了在集成多達8個集成式收發(fā)器接收通道，有效增加相控陣系統(tǒng)中的位數(shù)之后，得出的系統(tǒng)級測量結果。注意，從一個通道增加到八個通道時，NSD和計算得出的本底噪聲(在各圖中用紅線表示)將增加6 dB。這是因為，雖然總共有8個通道，但是在用于創(chuàng)建這8個通道的4個集成式收發(fā)器中，只存在4個不同且不相關的LO(也就是說，NLO = 4)。

因此實現(xiàn)了如下改善

得出的結果與集成式收發(fā)器提供的實驗性結果相近。此外，多余的成像頻率以不相關的方式聚合匯總，實現(xiàn)系統(tǒng)級雜散性能改善。隨著通道數(shù)量增加，性能會實現(xiàn)進一步改善，從而實現(xiàn)可擴展的系統(tǒng)。

圖4.使用ADRV9009集成式收發(fā)器來集成接收通道可以降低噪聲譜密度，并改善動態(tài)范圍。

此外，在對齊相位和集成多個集成式收發(fā)器通道之后，相控陣系統(tǒng)的相位噪聲可以得到改善。從圖5最上方的三條曲線顯示的測量結果可以看出，在利用4個集成式收發(fā)器IC的內(nèi)部LO組合8個通道之后，相位噪聲性能得到了改善。再重復一遍，存在4個不同且不相關的LO(也就是說，NLO = 4)時，當從1個發(fā)射通道增加為8個發(fā)射通道時，相位噪聲會增加6 dB。增加通道數(shù)量可以進一步增加相控陣雷達系統(tǒng)的相位噪聲。或者，可以將外部LO注入到由NTRx集成式收發(fā)器構成的每個子陣列中，并從子陣列層級改善初始相位噪聲(如圖5中的藍色曲線所示)。但是，如此一來，該子陣列中的各元件因為都共用同一個LO源，就會互相關聯(lián)，所以無法自行在子陣列中提供通道聚合改善。對于圖5所示的外部LO相位噪聲數(shù)據(jù)，其中使用了一個Rohde & Schwarz SMA100B信號發(fā)生器作為外部LO源。

圖5.使用內(nèi)部LO時，集成多個ADRV9009的發(fā)射通道可以改善系統(tǒng)級相位噪聲性能。

注入外部LO會改善子陣列的初始相位噪聲。

圖6.DSP特性現(xiàn)在可以利用片內(nèi)NCO和DDC/DUC實現(xiàn)數(shù)字相移。

增加通道數(shù)量，優(yōu)化相移會使集成式收發(fā)器形成寬度變窄的波束。

集成的DSP特性(例如NCO、數(shù)字移相器和DUC/DDC)允許在數(shù)字域內(nèi)實施基帶相移和頻率位移，進而允許在基于多通道、集成式收發(fā)器的相控陣雷達系統(tǒng)中實施數(shù)字波束成型。將多個功能集成到單個IC上之后，系統(tǒng)現(xiàn)在能夠在許多相關的相控陣應用中，利用集成式收發(fā)器實現(xiàn)天線點陣間隔。利用更多收發(fā)器來增加通道數(shù)量一般可以讓波束變窄，但會導致系統(tǒng)變大。但是，現(xiàn)在將多個功能集成到單個IC之后，系統(tǒng)變大的比例還是要小于過去。使用MATLAB®模擬輻射圖之后，圖6顯示通道數(shù)量從N = 23增加到N = 210時，波束如何變窄，理論波瓣幅度如何變深。實際的功率零點將在天線設計中表明。

結論

在單個IC中集成多個數(shù)字和模擬功能可以實現(xiàn)更小型的相控陣雷達系統(tǒng)。這些系統(tǒng)支持實施數(shù)字波束成型和混合波束成型，具體取決于系統(tǒng)規(guī)格。已經(jīng)證明使用ADI公司提供的ADRV9009可以實現(xiàn)系統(tǒng)級性能改善。這些集成式器件讓許多新系統(tǒng)能夠使用相同的硬件來運行多個應用。