一種新型相控陣接收組件的設計與實現

高群福

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

當前測控和雷達系統越來越多地使用天線陣列，天線陣列在通信、信號情報、雷達和電子戰等方面的應用越來越廣泛。但是，天線陣列的推廣使用受系統開發時間過長、外場升級不便和成本過高等因素的制約。傳統相控陣系統采用分立元件設計，功能和性能與利用當前先進集成電路所開發的系統相差很大，必須打破過去導致陣列開發周期長、靜態壽命周期短和服務費用高昂的傳統壁壘[1-2]。

傳統的相控陣接收系統設計，采用接收信道下變頻與模擬移相器實現，設備體積龐大、功耗高、技術移植和系統調試復雜[3-4]。本文采用新的接收組件設計思路，定制化的芯片實現射頻信道部分[5]，數字波束形成體制降低了硬件設備的復雜度，旨在將射頻輸入信號轉換為數字信號，并提供足夠的處理能力以生成一個子陣間的便于傳輸的數據流[6-7]；通過更新接收組件的頻率、帶寬、掃描角度、波束特性和數據接口等可重構接口，實現在不同領域的不同應用需求。

1 總體設計

大規模相控陣系統，天線單元數量數以萬計，與之對應的接收組件數量也十分龐大。因此，對接收組件的成本、體積和功耗提出了要求[8-9]。

需要采用一種全新的設計方案，滿足上述需求。采用數字波束形成體制，以一片Cyclone IV系列FPGA作為數字處理核心，采用定制化、高度集成的射頻芯片完成射頻輸入到數字中頻的轉換，使用光纖將數據傳輸出去，滿足接口的通用性[10]。按照這種思路，將射頻信道、模數轉換、數字波束形成和光纖數據傳輸集成在一個較小的結構內，功耗低，方便集成和規模拓展[11]。接收組件原理框圖如圖1所示。

圖1 接收組件原理

從圖1可以看出，采用16個天線接收射頻信號后，經過低噪放，送入接收組件，在接收組件內部，完成射頻增益控制、數字化、數字波束形成處理和光纖數據發送，最終將波束數據傳送到下一級進行處理[12]。

多個接收組件可以協同工作，組成更大規模的相控陣系統。監控計算機通過通信接口下發波束參數，完成波束指向、掃描等控制。

2 接收組件設計實現

2.1 硬件一體化設計

接收組件集成了16個射頻輸入通道，具備數字波束形成能力，通過光纖將波束數據傳輸到下一級。在硬件設計上，需要考慮射頻、數字混合高速設計，這里采用了“三明治”結構設計，如圖2所示。

圖2 接收組件一體化設計

將本振、射頻信道和基帶處理分開設計，這樣可以有效地抑制射頻、數字信號之間的串擾影響，提升射頻信道的性能。為了便于維修，將射頻信道處理板分為4個完全一樣的小板，每個小板對應4路射頻輸入，如果某個射頻通道損壞，只需更換對應小板。

2.2 射頻信道下變頻與模數變換

為了降低功耗、節省空間，射頻信道下變頻與模數轉換采用具有自主知識產權的定制化專用芯片實現，集成四通道處理，射頻輸入信號經過增益調整、正交下變頻變換到中頻，模擬中頻通過模數轉換、并串轉換后，串行中頻數據送入基帶處理[13]。射頻信道下變頻與模數轉換如圖3所示。

圖3 射頻信道下變頻與模數轉換

4個相對獨立的接收通道共享一個本振輸入，共享一個ADC采樣時鐘輸入，保證了4個通道間的相位高度一致性；集成片內低通濾波器，大大提升了易用性，節省了印制板面積；基于電阻比的中頻放大器結構保證了各個通道之間的增益高度一致；4個通道各自獨立的增益調節，保證了極大的增益調節靈活性；可以通過配置串行配置接口選擇外部控制放大器增益、中頻帶寬等參數。

2.3 基帶處理設計

基帶處理采用FPGA實現，主要完成數字波束形成、與監控計算機通信和高速數據光纖傳輸等功能。

2.3.1 數字波束形成

16通道數據數字化后進入FPGA，通過串并轉換、本地同步、幅度補償、相位補償與加權、下變頻、濾波和波束形成后[14]，送入高速收發器，將數據按照指定的幀格式通過光纖發送出去。數字波束形成如圖4所示。

圖4 數字波束形成

監控計算機下發波束指向、掃描速度等信息，可以快速構建不同波束形成參數的數字波束處理系統，波束數據組幀發送具備通道速率、幀格式調整的能力。

2.3.2 數據同步

大規模相控陣系統中，天線數量數以萬計，這時需要數以千計的接收組件協同工作，保證所有天線通道數據的相位對齊[15-16]。

接收組件通過外部輸入的秒脈沖、參考時鐘等時間基準信號，完成天線數據接收、本地數據同步和光纖發送數據同步等操作。

接收組件數據同步原理如圖5所示，同源的采樣時鐘保證了天線數據采樣時刻點的同步；外部秒脈沖用于不同接收組件之間的數據同步，接收組件將天線數據同步到秒脈沖信號的上升沿。

圖5 數據同步

2.3.3 快速故障診斷

在超大規模的相控陣系統中，具備能夠快速定位故障天線通道的能力非常重要[17-19]。

接收組件具備快速故障診斷能力，能實時監測自身的狀態信息：參考時鐘、秒脈沖、高速收發器和通道能量。接收組件能夠實時收集狀態信息，并上報到系統監控，同時具備自動關閉故障通道功能。

在發生故障時，根據故障的級別，能夠自動關閉數據發送通道或停止自身的數據發送，這樣就不會影響其他正常接收組件的工作。快速故障診斷控制邏輯如圖6所示。

圖6 快速故障診斷

2.3.4 軟核控制技術

基帶處理部分僅用一個FPGA芯片實現，與監控計算機通信、自身狀態信息監控等操作需要復雜的邏輯控制，因此，采用32位高性能軟核處理器NiosII在FPGA內部實現[20-23]，作為接收組件的控制核心。

使用Qsys搭建NiosII CPU系統，外設包括SPI、UART、EPCS、RAM、GPIO、自定義標校與參數設置等，通過高速總線與CPU互聯，如圖7所示。使用NiosII SBT軟件開發環境，完成CPU軟件的編寫。

圖7 軟核控制系統

3 工程應用

3.1 波束形成測試

接收組件具有16個射頻輸入通道，可以同時在多個方向上進行數字波束形成。在微波暗室環境中，將接收組件接入16路相同的射頻輸入信號，模擬外接4×4天線陣元時射頻信號垂直入射的條件，接收組件通過光纖輸出在俯仰方向上掃描的數據，接收組件在俯仰方向上從0°掃描到180°，步進為1°，繪制出方向圖如圖8所示。

從測試結果可以看出，實際測試結果與理論仿真吻合。

圖8 數字波束合成測試

3.2 指標測試分析

對接收組件的各項指標進行測試，測試結果如表1所示。接收組件在很小的體積內和較小的功耗下，實現了16路射頻通道接收，具有很好的幅度相位一致性，通道隔離度和鏡像抑制水平滿足需求。

目前接收組件已在某大規模相控陣系統中得到應用，各項功能及技術指標均達到了設計要求。通過監控指令可靈活控制信號頻段、波束掃描參數，滿足系統多種情況的測試要求。

實際應用中，接收組件的快速故障診斷功能非常實用，能夠有效地避免錯誤數據的傳輸。

表1 指標測試結果

測試項結果射頻輸入范圍/GHz0．5～2．5中頻帶寬/MHz4/10/20幅度一致性/dB3相位一致性/(°)10通道隔離度/dB≥30鏡像抑制/dB≥30功耗8V@1A結構尺寸/cm325×7×4

4 結束語

采用本振、射頻處理和基帶處理3部分分離設計，通過高速接插件連接，使得基帶數字部分對射頻信道、本振的干擾最小，同時也避免了本振、射頻信道之間的相互干擾，提升了整個射頻信道的性能指標。接收組件集成度高、成本低和功耗小，同時兼具通用性，可以在不改變硬件的基礎上，通過更新軟件配置，靈活地應對不同頻段、不同帶寬的需求。

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