陳自然， 許 明， 張 萌，3， 張有明

(1. 航天科工通信技術(shù)研究院有限責(zé)任公司， 四川成都 610051； 2. 廣州中雷電科科技有限公司， 廣東廣州 510530；3. 東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇南京210096；4. 東南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院， 江蘇南京210096)

0 引 言

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)作戰(zhàn)平臺(tái)的綜合性作戰(zhàn)性能的要求在逐步上升，隨著武器裝備信息化的發(fā)展，現(xiàn)代化武器必須適應(yīng)多功能、一體化的發(fā)展趨勢(shì)。長(zhǎng)期以來(lái)，機(jī)載、艦載、彈載等武器平臺(tái)的射頻傳感器都是單獨(dú)分散在系統(tǒng)中，其功能單一，兼容性差，不能形成高效的統(tǒng)一作戰(zhàn)平臺(tái)。系統(tǒng)中大量的電子設(shè)備引發(fā)的一個(gè)重要問(wèn)題是天線越來(lái)越多，直接導(dǎo)致作戰(zhàn)平臺(tái)重量增加，成本加劇，維護(hù)困難?！案呒啥取焙汀熬C合射頻”被認(rèn)為是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵手段。

伴隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，芯片制造從早期單一功能集成電路逐步向系統(tǒng)級(jí)多功能高集成電路、片上系統(tǒng)(System on Chip)以及系統(tǒng)級(jí)封裝(System in Package)邁進(jìn)。其中片上系統(tǒng)多采用CMOS工藝，將射頻收發(fā)鏈路和頻率合成器集成在單個(gè)芯片內(nèi)，可大大減少對(duì)PCB面積和芯片數(shù)量的需求，被認(rèn)為是一種最有前途的高密度集成方式。對(duì)于相控陣前端，其頻段較高，功率較大，集成難度高，因此單一芯片集成全部功能較困難，采用先進(jìn)封裝及瓦片集成技術(shù)能夠解決相控陣前端小體積、高功率密度、多功能集成等技術(shù)指標(biāo)問(wèn)題，并且能夠提高系統(tǒng)可靠性及可重構(gòu)性。先進(jìn)封裝及瓦片集成技術(shù)正成為相控陣?yán)走_(dá)研發(fā)中的重要技術(shù)形式。

在此背景下，針對(duì)軍用電子系統(tǒng)采用數(shù)字化技術(shù)，強(qiáng)調(diào)射頻孔徑的通用性，根據(jù)不同的任務(wù)需求采取不同的后端數(shù)字處理模式，是軍用電子系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。從優(yōu)化空時(shí)資源及提高可靠性的角度來(lái)講，采用相控陣體制會(huì)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，如采用收發(fā)全數(shù)字波束形成的新一代相控陣，比起傳統(tǒng)的模擬相控陣，具有動(dòng)態(tài)范圍大、指向精度高、易于支持寬帶信號(hào)、易于實(shí)現(xiàn)同時(shí)多波束等優(yōu)點(diǎn)，是軍用電子系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。

目前，數(shù)字T/R組件已成為國(guó)內(nèi)外各相關(guān)單位的研究熱點(diǎn)。李歸等提出了一種基于正交投影算法的發(fā)射多波束形成和數(shù)字時(shí)延補(bǔ)償方法，對(duì)發(fā)射多波束形成的相控陣方向圖性能、波束間隔離、陣列增益損耗以及副瓣性能進(jìn)行了仿真。Guo等提出了一種用于真空電子器件的2×2輸出相控陣?yán)走_(dá)的新型功率放大器單元，工作在Ka波段的大功率行波管慢波電路采用雙并聯(lián)微帶曲折線。劉明鑫等研究了一種基于射頻直接采樣的寬帶數(shù)字波束形成方法，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的波束指向和近似理想的主瓣，同時(shí)計(jì)算量小、工程可實(shí)現(xiàn)性較高。

本文研究了一種基于高集成度射頻前端(也稱“一體化射頻前端”)的新型16通道數(shù)字相控陣系統(tǒng)，工作在C波段，集成了天線陣面、校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)信道、波束形成器等部件。該數(shù)字相控陣系統(tǒng)的各部件通過(guò)瓦片集成方式垂直互聯(lián)，相比傳統(tǒng)的磚塊式方案，具有低剖面、通用性強(qiáng)、寬帶特性好、易于擴(kuò)展等諸多優(yōu)點(diǎn)。

隨著微波毫米波器件的日趨成熟，制造成本顯著下降，各整機(jī)單位對(duì)相控陣的開(kāi)發(fā)越來(lái)越重視，紛紛要求把傳統(tǒng)體制系統(tǒng)陸續(xù)改為相控陣體制，相控陣系統(tǒng)將更加廣泛地應(yīng)用于各型導(dǎo)彈、雷達(dá)及各種重點(diǎn)工程。本項(xiàng)目研制的數(shù)字相控陣適用于以上應(yīng)用，場(chǎng)景豐富、迭代升級(jí)能力強(qiáng)，具有巨大的市場(chǎng)潛力。

1 數(shù)字相控陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字相控陣系統(tǒng)，可分為射頻系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)兩大部分，其核心原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字相控陣系統(tǒng)原理框圖

射頻系統(tǒng)主要由天線陣列和收發(fā)信道構(gòu)成，其中天線陣面為4×4面陣，陣元形式為微帶天線；校準(zhǔn)及時(shí)鐘模塊包括板級(jí)校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)外時(shí)鐘切換和相參時(shí)鐘產(chǎn)生；收發(fā)信道以一體化射頻前端為核心，完成信號(hào)的上下變頻及濾波放大。信號(hào)處理模塊主要由中頻數(shù)字信道、數(shù)字波束形成模塊構(gòu)成，其中中頻數(shù)字信道完成抗混疊濾波、AD采樣、數(shù)字濾波以及發(fā)射端波形產(chǎn)生；數(shù)字波束形成模塊完成收發(fā)數(shù)字波束形成。

高集成度射頻前端集成了功放、可調(diào)衰減器、低噪放、混頻器、鎖相環(huán)等大部分射頻通道器件，大大簡(jiǎn)化了外圍器件數(shù)量和設(shè)計(jì)難度。因此射頻收發(fā)通道可以設(shè)計(jì)得非常緊湊，只占用很少的PCB面積，基于此，本文設(shè)計(jì)的數(shù)字相控陣系統(tǒng)方式采用瓦片式垂直互聯(lián)進(jìn)行整體集成，集成方式如圖2所示。

圖2 數(shù)字相控陣的集成方式

2 陣列天線設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)字相控陣系統(tǒng)的指標(biāo)要求，需研制一款窄頻帶、低副瓣、兩維電掃的微帶陣列天線。

首先需要確定天線陣列排布及天線單元間距。天線單元間距的選擇需滿足柵瓣抑制條件，基于方位及俯仰-30°～30°的電掃需求，該天線行、列單元間距均選取為42 mm。至此，天線陣列排布為4行4列，正方形柵格排布，電氣口徑為168 mm*168 mm。另外，為滿足-25 dB低副瓣要求，天線陣列幅度分布采用-26 dB泰勒加權(quán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

其次需要確定天線單元形式的選擇。微帶天線包括有很多種，包括微帶偶極子天線、微帶圓形貼片天線、微帶矩形貼片天線等，另外通過(guò)加載技術(shù)還可以有更多的變形種類。對(duì)于貼片天線而言，按其饋電方式又可分為微帶傳輸線邊饋、同軸探針背饋和耦合饋電?？紤]到該天線的工作頻帶并不寬，且結(jié)構(gòu)接口便于與后端模塊進(jìn)行對(duì)插，天線單元選擇常規(guī)的微帶矩形貼片天線，通過(guò)同軸探針從背后進(jìn)行饋電。這種天線形式體積小、重量輕、易于加工且方便集成。

利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線單元進(jìn)行建模仿真。天線單元仿真模型如圖3所示，天線單元遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖4所示。

圖3 天線單元仿真模型

圖4 天線單元遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

利用仿真軟件對(duì)天線陣列進(jìn)行了建模仿真。陣列天線仿真模型如圖5所示；圖6和圖7為陣列天線法向波束方位面及俯仰面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。

圖5 陣列天線仿真模型

圖6 陣列天線法向波束方位面方向圖

圖7 陣列天線法向波束俯仰面方向圖

由掃描波束方向圖仿真結(jié)果可見(jiàn)，天線增益/副瓣電平/波束指向精度等天線主要指標(biāo)可滿足系統(tǒng)要求。

3 射頻通道設(shè)計(jì)

射頻通道工作在C波段，工作帶寬為80 MHz，核心是高集成度射頻前端，其收發(fā)通道電路拓?fù)淙鐖D8(a)所示，芯片照片如圖8(b)所示。

(a) 高集成度射頻前端收發(fā)通道電路拓?fù)鋱D

(b) 高集成度射頻前端照片圖8 高集成度射頻前端收發(fā)通道電路拓?fù)鋱D及照片

其中接收鏈路完成C波段信號(hào)接收、調(diào)理，并下變頻到150 MHz中心頻率；發(fā)射鏈路完成150 MHz基帶信號(hào)的上變頻、驅(qū)動(dòng)和發(fā)射濾波。高集成度射頻前端包括TX和RX通道，在TX通道集成了驅(qū)動(dòng)放大器、混頻器、發(fā)射鎖相環(huán)、濾波器等器件，在RX通道集成了低噪聲放大器、混頻器、接收鎖相環(huán)和濾波器。

射頻收發(fā)通道的外圍關(guān)鍵器件是射頻預(yù)選濾波器和中頻抗混疊濾波器。其中射頻預(yù)選濾波器主要保證收發(fā)通道的帶外頻譜特性，即帶外雜散的有效抑制度；由于距離邊帶最近的是三階交調(diào)雜散信號(hào)，偏離中心頻率為110 MHz，混頻器自身可抑制30 dBc，所以預(yù)選濾波器在該處抑制30 dBc即可；且本振泄露電平較大，需對(duì)本振信號(hào)的抑制達(dá)到50 dBc以上。則濾波器選擇性的設(shè)計(jì)要求如公式(1)，采用介質(zhì)濾波器實(shí)現(xiàn)，其典型頻率響應(yīng)曲線如圖9所示。

-1 dB≥±40 MHz-30 dB≤±110 MHz-50 dB≤±150 MHz

(1)

中頻處的混頻雜散主要集中在頻率高端，因此中頻濾波器主要限制混頻后落入210～290 MHz帶內(nèi)的雜散，需抑制到70 dB以下，以免其混疊后影響有用信號(hào)使其失真。落入210～290 MHz帶內(nèi)的雜散主要是四階交調(diào)信號(hào)220～380 MHz，混頻器自身的四階交調(diào)抑制可以達(dá)到50 dBc以上，中頻濾波器抑制度達(dá)到20 dBc即可，即濾波器的-20 dB=±70 MHz。采用LC方式即可實(shí)現(xiàn)中頻濾波器，其典型頻率響應(yīng)如圖10所示。

圖9 射頻預(yù)選濾波器頻率響應(yīng)

圖10 中頻濾波器頻率響應(yīng)

4 數(shù)字中頻設(shè)計(jì)

本文將數(shù)字中頻劃分為一塊單獨(dú)的信號(hào)處理板，由2片F(xiàn)PGA、4片高速四通道AD、4片高速四通道DA、1片校準(zhǔn)AD、1片校準(zhǔn)DA、1個(gè)低抖動(dòng)的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和2片SPI FLASH組成。其中2片F(xiàn)PGA之間連接一條高速總線，用來(lái)接收用戶的高速基帶IQ數(shù)據(jù)。對(duì)外的接口都由FPGA引出，包含2片F(xiàn)PGA的配置JTAG組成的菊花鏈、對(duì)外通信的一組高速光纖口和一組低速J30J接口。數(shù)字中頻處理板的原理框圖如圖11所示。

在進(jìn)行波束形成前，需要對(duì)每個(gè)通道固有的幅度相位差進(jìn)行校準(zhǔn)，常采用乘法器，其實(shí)現(xiàn)和原理比較簡(jiǎn)單，這里重點(diǎn)闡述相位的均衡算法。針對(duì)寬帶信號(hào)，為了避免在中心頻點(diǎn)移相帶來(lái)的孔徑渡越效應(yīng)，最常用的方式均衡方式是分?jǐn)?shù)延時(shí)濾波器。分?jǐn)?shù)延時(shí)濾波的理想沖擊響應(yīng)為

()=sinc(-)

(2)

圖11 數(shù)字中頻處理板原理框圖

式中，=+，為整數(shù)延時(shí)，為分?jǐn)?shù)延時(shí)。

對(duì)整數(shù)延時(shí)，在邏輯器件里面實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單。對(duì)于分?jǐn)?shù)延時(shí)，本文采用FIR濾波器的方式實(shí)現(xiàn)。預(yù)先在FPGA的內(nèi)部ROM里生成延時(shí)量從0.1*T_data到0.9*T_data的FIR濾波器系數(shù)，其中T_data為抽取之后的采樣率。每次上電之后，校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)開(kāi)關(guān)切換的方式將校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)送至各個(gè)射頻通道，經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理得到各個(gè)通道的延時(shí)誤差，并通過(guò)動(dòng)態(tài)加載的方式調(diào)用不同的FIR濾波器系數(shù)生成相應(yīng)延時(shí)的FIR濾波器，對(duì)各通道進(jìn)行均衡。圖12為均衡后的二維波束方向圖。

圖12 均衡后的二維波束方向圖

5 測(cè)試與校準(zhǔn)

基于以上方案，研制了1套瓦片式集成16通道數(shù)字相控陣天線。與傳統(tǒng)的C波段磚塊式數(shù)字相控陣相比，該瓦片式數(shù)字相控陣體積減半、重量大幅降低，系統(tǒng)有很好的擴(kuò)展能力，可以此為子陣進(jìn)行拼接，組成更大規(guī)模陣列。16通道數(shù)字相控陣天線的實(shí)物如圖13所示。

圖13 16通道數(shù)字相控陣系統(tǒng)實(shí)物圖

利用遠(yuǎn)場(chǎng)方式對(duì)包含天線單元在內(nèi)的多通道的幅度和相位不一致性進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)之前的各通道采樣信號(hào)如圖14所示，各路通道之間存在明顯的相位不一致，多通道信號(hào)合成效果如圖15所示。

圖14 校準(zhǔn)之前各路通道采樣信號(hào)

圖15 多通道信號(hào)合成效果(對(duì)齊之前)

加載數(shù)字校準(zhǔn)模塊之后，各通道的相位對(duì)齊情況如圖16所示，可見(jiàn)各通道的信號(hào)相位完全對(duì)齊，多通道信號(hào)合成效果如圖17所示，信噪比相比相位對(duì)齊之前提升3 dB。

圖16 校準(zhǔn)之后各路通道采樣信號(hào)

圖17 多通道信號(hào)合成效果(對(duì)齊之后)

在暗室中對(duì)該相控陣天線陣列法向方向圖進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)與測(cè)試結(jié)果如圖18和圖19所示。由于數(shù)字陣架構(gòu)在通道前段沒(méi)有耦合檢測(cè)功能，所以將有源駐波的影響統(tǒng)一到方向圖里。

圖18 暗室測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖19 數(shù)字波束形成方向圖(紅色：俯仰面，藍(lán)色：方位面)

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，該數(shù)字相控陣系統(tǒng)采用瓦片集成方式，包含天線陣面、射頻鏈路、中頻鏈路及數(shù)字波束形成基帶，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)外校準(zhǔn)可矯正各通道之間的幅相誤差，矯正之后其方向圖暗室測(cè)試指標(biāo)與仿真結(jié)果接近，可達(dá)到數(shù)字波束形成的效果。