前言相控陣系統(tǒng)可以直接支持集成感知和通信（ISAC）以及其他功能，同時(shí)還能整合入帶內(nèi)全雙工（IBFD）技術(shù)。已經(jīng)證明，數(shù)字控制的自互干消除技術(shù)可以在一個(gè)單一孔徑內(nèi)為有限數(shù)量的原件之間創(chuàng)建發(fā)射和接收子陣的隔離。注：本文數(shù)據(jù)及技術(shù)來(lái)源自林肯實(shí)驗(yàn)室一、簡(jiǎn)介

相控陣的使用通過(guò)波束形成和波束指向技術(shù)，可以將輻射聚焦在所需的空間方向上。這為系統(tǒng)在發(fā)送和接收方面提供了更高的天線增益，可以改善鏈路效果。當(dāng)將帶內(nèi)全雙工（IBFD）技術(shù)應(yīng)用于陣列中時(shí)，它們可以同時(shí)支持多種應(yīng)用，包括提供集成感知和通信（ISAC）能力。

IBFD也被稱為同時(shí)發(fā)射和接收（STAR），代表著一種新興的技術(shù)，打破了傳統(tǒng)的頻譜共享范例，允許設(shè)備在同一頻率上同時(shí)進(jìn)行發(fā)射和接收。只有在設(shè)備的發(fā)送信號(hào)被抑制到或低于設(shè)備接收器的噪聲水平時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)該功能，這被稱為自干擾消除。對(duì)于相控陣和其他定向/全向IBFD系統(tǒng)，可以通過(guò)跨給定收發(fā)器架構(gòu)的傳播、模擬和數(shù)字領(lǐng)域使用多種技術(shù)來(lái)獲得足夠的SIC 。

對(duì)于只有一個(gè)天線孔徑的陣列，這些SIC方法的組合可以使得IBFD操作在孔徑級(jí)別或單元級(jí)別下實(shí)現(xiàn)。盡管后者可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的孔徑完全利用，但每個(gè)獨(dú)立元件上需要高強(qiáng)度的SIC，這往往會(huì)嚴(yán)重影響陣列的輸出功率和噪聲指數(shù)

圖1：具有(a)發(fā)射和接收子陣列和(b)根據(jù)雷達(dá)和通信功能進(jìn)一步劃分的專用發(fā)射子陣列的孔徑級(jí)IBFD陣列示例。

二、陣列操作

圖2：孔徑級(jí)別的IBFD概念，突出了三種不同的SIC技術(shù)：自適應(yīng)發(fā)射和接收數(shù)字波束形成以及基于參考的數(shù)字抵消。

圖2顯示了孔徑級(jí)IBFD陣列的操作概念。該圖示出左側(cè)兩個(gè)發(fā)射元件和右側(cè)兩個(gè)接收元件，但可按照任意陣列大小或維度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)發(fā)射器處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，部分發(fā)射信號(hào)泄漏到附近的接收元件中，引起自干擾（SI），并且在適中的輸出功率下會(huì)導(dǎo)致接收器飽和。為了避免飽和，對(duì)于這個(gè)孔徑級(jí)架構(gòu)，可以采用三種不同的自干擾消除（SIC）技術(shù)之一：自適應(yīng)發(fā)射波束成形。這個(gè)數(shù)字處理過(guò)程涉及對(duì)獨(dú)立發(fā)射通道的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行加權(quán)，以使陣列上的接收元件方向出現(xiàn)近場(chǎng)零點(diǎn)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，這一步驟的效果是保持期望的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射同時(shí)減小發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，以便可以在每個(gè)接收元件上進(jìn)行線性處理和數(shù)字化。

三、陣列系統(tǒng)

陣列概念其局限性在于小規(guī)模的原型無(wú)法輕松增加元件數(shù)量。之前已經(jīng)確定了三項(xiàng)核心技術(shù)以推進(jìn)這些陣列的可擴(kuò)展性：全數(shù)字設(shè)計(jì)，發(fā)射/接收（T/R）模塊和波束成形/抵消算法。這些部分可以通過(guò)可擴(kuò)展的面板式架構(gòu)進(jìn)行整合，如圖3所示的爆炸視圖。

圖3：可擴(kuò)展陣列板的爆炸視圖，突出顯示孔徑板和背板PCB組件以及它們之間的熱管理冷板。

圖示了主要組件，即帶有附加在背面的T/R模塊（照片中不可見(jiàn)）的孔徑板（）組件，以及包含直流電源調(diào)節(jié)和射頻SoC（RFSoC）集成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理器的背板組件。在這兩個(gè)之間，有一個(gè)非常重要的冷板，作為熱管理解決方案，將熱量從孔徑和背板上的部件散發(fā)出去。以下對(duì)陣列系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)解讀：

3.1孔徑組件

孔徑組件負(fù)責(zé)將陣列電子設(shè)備與周圍環(huán)境進(jìn)行接口連接：發(fā)送傳輸信號(hào)并接收數(shù)據(jù)。為此，它由輻射單元組成，這些單元按照8x8的方形網(wǎng)格排列，總共有64個(gè)單元。這些單元采用雙極化疊層芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4頂部所示。

雙極化天線輻射元件的電磁模型，說(shuō)明其如何適配到一個(gè)8x8陣列中，以及T/R模塊如何安裝在網(wǎng)格間距內(nèi)。

3.2冷板為了支持ISAC項(xiàng)目，與傳統(tǒng)的僅使用雷達(dá)的應(yīng)用相比（其中發(fā)射器的工作時(shí)間僅占總時(shí)間的約10%），可能需要讓陣列硬件以更高的工作占空比運(yùn)行。增加發(fā)射工作占空比會(huì)增加總體穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷，因?yàn)闊岙a(chǎn)生的時(shí)間增加。這需要對(duì)陣列上的熱散射進(jìn)行仔細(xì)分析，以確保所有部件都不超過(guò)其最高結(jié)溫并避免損壞。為此，研究并設(shè)計(jì)了一個(gè)冷板，可用于不同的熱情景下對(duì)陣列組件進(jìn)行冷卻。

圖6：熱模型顯示傳輸元件賦值情況下的陣列溫度差異，單位為攝氏度（a）僅在左半部分和（b）整個(gè)面板上。

圖7：利用液體在垂直通道中流動(dòng)來(lái)從面板中提取熱量的冷板的機(jī)械模型（16個(gè)矩形切口用于連接孔與背板）。

3.3背板

陣列面板堆疊的最后一個(gè)關(guān)鍵部件是背板PCB，它負(fù)責(zé)控制子陣列分區(qū)及其相關(guān)功能。背板利用了八個(gè)RFSoC部件，它們與最近的鄰居相連，如圖8所示[16]。為了此設(shè)計(jì)選擇的RFSoC版本具有16個(gè)信道，每個(gè)信道都有一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），在一個(gè)單一封裝中集成了32個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

圖9顯示了兩個(gè)面板的旁邊連接，表明高速數(shù)據(jù)接口不僅連接了面板上的RFSoCs，還連接了面板之間的RFSoCs。這種架構(gòu)創(chuàng)建了一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，由多個(gè)處理節(jié)點(diǎn)（即RFSoCs）組成，并且可以同時(shí)并行處理不同的計(jì)算線程。該概念在圖的下部進(jìn)行了說(shuō)明，例如，在將兩個(gè)數(shù)據(jù)流最初在板上處理成指向不同方向的陣列波束之前，將其發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析。這種并行的板上處理能力在ISAC應(yīng)用中非常有用，特別是當(dāng)陣列如圖1b所示進(jìn)行分區(qū)并且需要同時(shí)計(jì)算多個(gè)功能的數(shù)據(jù)時(shí)。

圖8：背板電路板組裝，突出顯示每個(gè)RFSoC與陣列上的8個(gè)單元之間的連接以及它們之間的互連關(guān)系。

圖9：兩個(gè)背板面板的互連，顯示了可擴(kuò)展的面板間連接性和并行板上處理能力。4.結(jié)論

孔徑級(jí)IBFD相控陣可通過(guò)數(shù)字SIC技術(shù)的組合實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收區(qū)之間的隔離。這些相控陣和相關(guān)的SIC處理方法可以被設(shè)計(jì)成可伸縮的，可以創(chuàng)建任意規(guī)模的陣列。此可伸縮性的關(guān)鍵在于陣列系統(tǒng)的構(gòu)造，這在面板式架構(gòu)中已經(jīng)討論過(guò)。孔徑和背板PCB組件以及冷板熱管理解決方案被強(qiáng)調(diào)為可伸縮方法的關(guān)鍵組成部分，可在2.7至范圍內(nèi)運(yùn)行。未來(lái)的工作包括制作多個(gè)陣列面板原型以驗(yàn)證其功能，并同時(shí)展示不同的應(yīng)用，例如ISAC。

結(jié)語(yǔ)

與八個(gè)陣列單元進(jìn)行接口，以支持先前描述的雙極化輻射器的全部16個(gè)信道。除了提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能之外，RFSoC還提供了陣列上的信號(hào)處理能力。這個(gè)功能可以用于通過(guò)下采樣減少?gòu)拿姘逄峁┑脑紨?shù)據(jù)量，和/或計(jì)算特定應(yīng)用的度量，比如雷達(dá)或通信檢測(cè)。

目前RFSoC單芯片（Zynq UltraScale+XCZU49DR）可支持單板16通道ADC(14-bit、2.5Gsps)ports、16通道DAC（14-bit、9.85Gsps）ports。西安彼睿電子科技提供這樣一種方案：通過(guò)demo工程演示如何配置并執(zhí)導(dǎo)各個(gè)高速采樣子板執(zhí)行通道間多瓦片同步（MTS），以獲得每次上電后穩(wěn)定的通道間采樣相位差。RFSoC多板同步技術(shù)通過(guò)硬件與軟件協(xié)同，實(shí)現(xiàn)多塊射頻片上系統(tǒng)板卡間的時(shí)鐘相位對(duì)齊和觸發(fā)同步，確保各板卡ADC/DAC在皮秒級(jí)精度內(nèi)協(xié)同工作。這項(xiàng)技術(shù)解決了分布式射頻系統(tǒng)中"時(shí)序不宜正"等多項(xiàng)挑戰(zhàn)，是現(xiàn)代高精度射頻應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施。

上述兩幅圖展示了單板搭載一顆（XCZU49DR）IC后，通過(guò)多板同步技術(shù)及時(shí)鐘板（單塊時(shí)鐘板最高可同步7塊信號(hào)處理板卡），此時(shí)系統(tǒng)就可擴(kuò)展為32/64/128/256通道，且可保證每個(gè)通道間達(dá)到PS級(jí)同步。這種方案在雷達(dá)信號(hào)處理、電子戰(zhàn)及通信監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

通過(guò)皮秒級(jí)精度的協(xié)同，使得分布式射頻系統(tǒng)突破性能極限。從相控陣?yán)走_(dá)的精度掃描到量子計(jì)算的精密精密控制，從5G基站的大規(guī)模天線到射電望遠(yuǎn)鏡的宇宙觀測(cè)，這項(xiàng)技術(shù)正重塑我們連接、感知和探索世界的方式。

審核編輯 黃宇