一種新型相控陣接收組件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高群福

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

當(dāng)前測控和雷達(dá)系統(tǒng)越來越多地使用天線陣列，天線陣列在通信、信號(hào)情報(bào)、雷達(dá)和電子戰(zhàn)等方面的應(yīng)用越來越廣泛。但是，天線陣列的推廣使用受系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間過長、外場升級(jí)不便和成本過高等因素的制約。傳統(tǒng)相控陣系統(tǒng)采用分立元件設(shè)計(jì)，功能和性能與利用當(dāng)前先進(jìn)集成電路所開發(fā)的系統(tǒng)相差很大，必須打破過去導(dǎo)致陣列開發(fā)周期長、靜態(tài)壽命周期短和服務(wù)費(fèi)用高昂的傳統(tǒng)壁壘[1-2]。

傳統(tǒng)的相控陣接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用接收信道下變頻與模擬移相器實(shí)現(xiàn)，設(shè)備體積龐大、功耗高、技術(shù)移植和系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜[3-4]。本文采用新的接收組件設(shè)計(jì)思路，定制化的芯片實(shí)現(xiàn)射頻信道部分[5]，數(shù)字波束形成體制降低了硬件設(shè)備的復(fù)雜度，旨在將射頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并提供足夠的處理能力以生成一個(gè)子陣間的便于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(shù)據(jù)接口等可重構(gòu)接口，實(shí)現(xiàn)在不同領(lǐng)域的不同應(yīng)用需求。

1 總體設(shè)計(jì)

大規(guī)模相控陣系統(tǒng)，天線單元數(shù)量數(shù)以萬計(jì)，與之對應(yīng)的接收組件數(shù)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(shè)計(jì)方案，滿足上述需求。采用數(shù)字波束形成體制，以一片Cyclone IV系列FPGA作為數(shù)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(shù)字中頻的轉(zhuǎn)換，使用光纖將數(shù)據(jù)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(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字波束形成和光纖數(shù)據(jù)傳輸集成在一個(gè)較小的結(jié)構(gòu)內(nèi)，功耗低，方便集成和規(guī)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(gè)天線接收射頻信號(hào)后，經(jīng)過低噪放，送入接收組件，在接收組件內(nèi)部，完成射頻增益控制、數(shù)字化、數(shù)字波束形成處理和光纖數(shù)據(jù)發(fā)送，最終將波束數(shù)據(jù)傳送到下一級(jí)進(jìn)行處理[12]。

多個(gè)接收組件可以協(xié)同工作，組成更大規(guī)模的相控陣系統(tǒng)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過通信接口下發(fā)波束參數(shù)，完成波束指向、掃描等控制。

2 接收組件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件一體化設(shè)計(jì)

接收組件集成了16個(gè)射頻輸入通道，具備數(shù)字波束形成能力，通過光纖將波束數(shù)據(jù)傳輸?shù)较乱患?jí)。在硬件設(shè)計(jì)上，需要考慮射頻、數(shù)字混合高速設(shè)計(jì)，這里采用了“三明治”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 接收組件一體化設(shè)計(jì)

將本振、射頻信道和基帶處理分開設(shè)計(jì)，這樣可以有效地抑制射頻、數(shù)字信號(hào)之間的串?dāng)_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(gè)完全一樣的小板，每個(gè)小板對應(yīng)4路射頻輸入，如果某個(gè)射頻通道損壞，只需更換對應(yīng)小板。

2.2 射頻信道下變頻與模數(shù)變換

為了降低功耗、節(jié)省空間，射頻信道下變頻與模數(shù)轉(zhuǎn)換采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的定制化專用芯片實(shí)現(xiàn)，集成四通道處理，射頻輸入信號(hào)經(jīng)過增益調(diào)整、正交下變頻變換到中頻，模擬中頻通過模數(shù)轉(zhuǎn)換、并串轉(zhuǎn)換后，串行中頻數(shù)據(jù)送入基帶處理[13]。射頻信道下變頻與模數(shù)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 射頻信道下變頻與模數(shù)轉(zhuǎn)換

4個(gè)相對獨(dú)立的接收通道共享一個(gè)本振輸入，共享一個(gè)ADC采樣時(shí)鐘輸入，保證了4個(gè)通道間的相位高度一致性；集成片內(nèi)低通濾波器，大大提升了易用性，節(jié)省了印制板面積；基于電阻比的中頻放大器結(jié)構(gòu)保證了各個(gè)通道之間的增益高度一致；4個(gè)通道各自獨(dú)立的增益調(diào)節(jié)，保證了極大的增益調(diào)節(jié)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(shù)。

2.3 基帶處理設(shè)計(jì)

基帶處理采用FPGA實(shí)現(xiàn)，主要完成數(shù)字波束形成、與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信和高速數(shù)據(jù)光纖傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2.3.1 數(shù)字波束形成

16通道數(shù)據(jù)數(shù)字化后進(jìn)入FPGA，通過串并轉(zhuǎn)換、本地同步、幅度補(bǔ)償、相位補(bǔ)償與加權(quán)、下變頻、濾波和波束形成后[14]，送入高速收發(fā)器，將數(shù)據(jù)按照指定的幀格式通過光纖發(fā)送出去。數(shù)字波束形成如圖4所示。

圖4 數(shù)字波束形成

監(jiān)控計(jì)算機(jī)下發(fā)波束指向、掃描速度等信息，可以快速構(gòu)建不同波束形成參數(shù)的數(shù)字波束處理系統(tǒng)，波束數(shù)據(jù)組幀發(fā)送具備通道速率、幀格式調(diào)整的能力。

2.3.2 數(shù)據(jù)同步

大規(guī)模相控陣系統(tǒng)中，天線數(shù)量數(shù)以萬計(jì)，這時(shí)需要數(shù)以千計(jì)的接收組件協(xié)同工作，保證所有天線通道數(shù)據(jù)的相位對齊[15-16]。

接收組件通過外部輸入的秒脈沖、參考時(shí)鐘等時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，完成天線數(shù)據(jù)接收、本地?cái)?shù)據(jù)同步和光纖發(fā)送數(shù)據(jù)同步等操作。

接收組件數(shù)據(jù)同步原理如圖5所示，同源的采樣時(shí)鐘保證了天線數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻點(diǎn)的同步；外部秒脈沖用于不同接收組件之間的數(shù)據(jù)同步，接收組件將天線數(shù)據(jù)同步到秒脈沖信號(hào)的上升沿。

圖5 數(shù)據(jù)同步

2.3.3 快速故障診斷

在超大規(guī)模的相控陣系統(tǒng)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(shí)時(shí)監(jiān)測自身的狀態(tài)信息：參考時(shí)鐘、秒脈沖、高速收發(fā)器和通道能量。接收組件能夠?qū)崟r(shí)收集狀態(tài)信息，并上報(bào)到系統(tǒng)監(jiān)控，同時(shí)具備自動(dòng)關(guān)閉故障通道功能。

在發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)故障的級(jí)別，能夠自動(dòng)關(guān)閉數(shù)據(jù)發(fā)送通道或停止自身的數(shù)據(jù)發(fā)送，這樣就不會(huì)影響其他正常接收組件的工作?？焖俟收显\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(shù)

基帶處理部分僅用一個(gè)FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，與監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信、自身狀態(tài)信息監(jiān)控等操作需要復(fù)雜的邏輯控制，因此，采用32位高性能軟核處理器NiosII在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)[20-23]，作為接收組件的控制核心。

使用Qsys搭建NiosII CPU系統(tǒng)，外設(shè)包括SPI、UART、EPCS、RAM、GPIO、自定義標(biāo)校與參數(shù)設(shè)置等，通過高速總線與CPU互聯(lián)，如圖7所示。使用NiosII SBT軟件開發(fā)環(huán)境，完成CPU軟件的編寫。

圖7 軟核控制系統(tǒng)

3 工程應(yīng)用

3.1 波束形成測試

接收組件具有16個(gè)射頻輸入通道，可以同時(shí)在多個(gè)方向上進(jìn)行數(shù)字波束形成。在微波暗室環(huán)境中，將接收組件接入16路相同的射頻輸入信號(hào)，模擬外接4×4天線陣元時(shí)射頻信號(hào)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(shù)據(jù)，接收組件在俯仰方向上從0°掃描到180°，步進(jìn)為1°，繪制出方向圖如圖8所示。

從測試結(jié)果可以看出，實(shí)際測試結(jié)果與理論仿真吻合。

圖8 數(shù)字波束合成測試

3.2 指標(biāo)測試分析

對接收組件的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。接收組件在很小的體積內(nèi)和較小的功耗下，實(shí)現(xiàn)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(guī)模相控陣系統(tǒng)中得到應(yīng)用，各項(xiàng)功能及技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過監(jiān)控指令可靈活控制信號(hào)頻段、波束掃描參數(shù)，滿足系統(tǒng)多種情況的測試要求。

實(shí)際應(yīng)用中，接收組件的快速故障診斷功能非常實(shí)用，能夠有效地避免錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的傳輸。

表1 指標(biāo)測試結(jié)果

測試項(xiàng)結(jié)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(jié)構(gòu)尺寸/cm325×7×4

4 結(jié)束語

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

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