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相控陣雷達系統利用多個發射和接收通道來實現正常運行。以前，這些平臺在構造時都使用獨立的發射和接收集成電路（IC）。這些系統在發射（Tx）電路的數模轉換器（DAC）和接收（Rx）電路的模數轉換器（ADC）中分別使用單獨的芯片。這種區分使得許多系統尺寸龐大、成本高昂且功耗高，如此才能獲得所需的通道數量，進而發揮所需的功能。由于制造和校準過程復雜，這些系統通常也需要很長時間才能上市。但是，最近出現一種利用集成收發器的方法，它將許多曾經被認為完全不同的功能融合到單個IC之中。這些IC助力實現了小尺寸、低功耗和低成本、具有高通道數量的相控陣雷達系統，且上市時間更短。
集成式收發器簡介
集成式收發器（例如圖1所示的收發器）將多種功能集成到單個IC上。例如，新型收發器將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單芯片產品中。此外，該產品還集成了兩個接收通道和兩個發射通道，以及多個數字信號處理（DSP）組件，以獲得系統所需的瞬時帶寬。還提供一個應用程序接口（API），用于操作客戶平臺上的收發器。可以利用片內前端網絡實現增益和衰減控制。內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中的集成式收發器示例。
這些集成式收發器能夠通過注入一個稱為REF_CLK的參考時鐘信號來創建發射器和接收器所需的所有時鐘信號。然后，由片內鎖相環（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。
來自部件的數據經由標準化的JESD204b多千兆串行數據接口進行卸載。這個接口支持同時接收和傳輸大量數據。新集成式收發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據同步，用戶可以利用內置的多芯片同步（MCS）特性，并發出SYS_REF信號作為初始通道對齊序列（ILAS）的主時序基準。1
此外，可以利用內置的RFPLL相位同步特性，將發射或接收通道的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器示例，該收發器提供決定性相位，且支持所有這些特性。
圖2.內置RFPLL相位同步特性讓系統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器來增加系統的通道數量。
使用多個集成式收發器
如果系統需要兩個以上接收器和兩個發射器，用戶仍然能使用多個集成式收發器，從因為單芯片接收和發射通道實現的小尺寸中獲益。該技術的示例如圖3所示。可以通過使用并發型SYS_REF脈沖來同時觸發所有IC的內部分壓器，從而同步多個集成式收發器。這些SYS_REF脈沖可由時鐘芯片或基帶處理器發出，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。跨多個芯片的數據路徑和多個LO都可以是確定性的。
集成式收發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器來增加通道數量，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射和接收通道時，使用多個集成式收發器可以展示系統級的動態范圍、雜散和相位噪聲改善。
片內DSP特性，例如數控振蕩器（NCO）和數字上變頻器，或者數字下變頻器（DDC），現在支持在單個IC內采用系統級雜散去相關方法。2
通過使用多個集成式收發器來組合收發器通道，用于展示系統級噪聲譜密度（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的動態范圍。圖4顯示了在集成多達8個集成式收發器接收通道，有效增加相控陣系統中的位數之后，得出的系統級測量結果。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，但是在用于創建這8個通道的4個集成式收發器中，只存在4個不同且不相關的LO（也就是說，NLO = 4）。
因此實現了如下改善
得出的結果與集成式收發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，實現系統級雜散性能改善。隨著通道數量增加，性能會實現進一步改善，從而實現可擴展的系統。
圖4.使用ADRV9009集成式收發器來集成接收通道可以降低噪聲譜密度，并改善動態范圍。
此外，在對齊相位和集成多個集成式收發器通道之后，相控陣系統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個集成式收發器IC的內部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個發射通道增加為8個發射通道時，相位噪聲會增加6 dB。增加通道數量可以進一步增加相控陣雷達系統的相位噪聲。或者，可以將外部LO注入到由NTRx集成式收發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，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相位噪聲數據，其中使用了一個Rohde & Schwarz SMA100B信號發生器作為外部LO源。
圖5.使用內部LO時，集成多個ADRV9009的發射通道可以改善系統級相位噪聲性能。
注入外部LO會改善子陣列的初始相位噪聲。
圖6.DSP特性現在可以利用片內NCO和DDC/DUC實現數字相移。
增加通道數量，優化相移會使集成式收發器形成寬度變窄的波束。
集成的DSP特性（例如NCO、數字移相器和DUC/DDC）允許在數字域內實施基帶相移和頻率位移，進而允許在基于多通道、集成式收發器的相控陣雷達系統中實施數字波束成型。將多個功能集成到單個IC上之后，系統現在能夠在許多相關的相控陣應用中，利用集成式收發器實現天線點陣間隔。利用更多收發器來增加通道數量一般可以讓波束變窄，但會導致系統變大。但是，現在將多個功能集成到單個IC之后，系統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中集成多個數字和模擬功能可以實現更小型的相控陣雷達系統。這些系統支持實施數字波束成型和混合波束成型，具體取決于系統規格。已經證明使用ADI公司提供的ADRV9009可以實現系統級性能改善。這些集成式器件讓許多新系統能夠使用相同的硬件來運行多個應用。
參考資料
1 Harris， J. 什么是JESD204標準，為什么我們要重視它？ADI公司技術文章，MS-2374，1-4。2013年10月。
2 Delos， P.、Jones， M.、Robertson， M. RF收發器支持在數字波束成型相控陣內實施強制雜散去相關。ADI公司技術文章。2018年8月。
作者簡介
Mike Jones是ADI公司航空航天和防務部的首席電氣設計工程師，在美國北卡羅來納州格林斯博羅工作。他于2016年加入ADI公司。從2007年到2016年，他在北卡羅來納州威爾明頓的通用電氣公司工作，擔任微波光子學設計工程師，致力于研發核工業微波和光學解決方案。他于2004年獲得北卡羅來納州立大學電氣工程學士學位和計算機工程學士學位，2006年獲得北卡羅來納州立大學電氣工程碩士學位。
Peter Delos是ADI公司航空航天和防務部的技術主管，在美國北卡羅萊納州格林斯博羅工作。他于1990年獲得美國弗吉尼亞理工大學電氣工程學士學位，并于2004年獲得美國新澤西理工學院電氣工程碩士學位。Peter擁有超過25年的行業經驗。其職業生涯的大部分時間花在高級RF/模擬系統的架構、PWB和IC設計上。他目前專注于面向相控陣應用的高性能接收器、波形發生器和頻率合成器設計的小型化工作。
