一种新型相控阵接收组件的设计与实现

高群福

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

当前测控和雷达系统越来越多地使用天线阵列，天线阵列在通信、信号情报、雷达和电子战等方面的应用越来越广泛。但是，天线阵列的推广使用受系统开发时间过长、外场升级不便和成本过高等因素的制约。传统相控阵系统采用分立元件设计，功能和性能与利用当前先进集成电路所开发的系统相差很大，必须打破过去导致阵列开发周期长、静态寿命周期短和服务费用高昂的传统壁垒[1-2]。

传统的相控阵接收系统设计，采用接收信道下变频与模拟移相器实现，设备体积庞大、功耗高、技术移植和系统调试复杂[3-4]。本文采用新的接收组件设计思路，定制化的芯片实现射频信道部分[5]，数字波束形成体制降低了硬件设备的复杂度，旨在将射频输入信号转换为数字信号，并提供足够的处理能力以生成一个子阵间的便于传输的数据流[6-7]；通过更新接收组件的频率、带宽、扫描角度、波束特性和数据接口等可重构接口，实现在不同领域的不同应用需求。

1 总体设计

大规模相控阵系统，天线单元数量数以万计，与之对应的接收组件数量也十分庞大。因此，对接收组件的成本、体积和功耗提出了要求[8-9]。

需要采用一种全新的设计方案，满足上述需求。采用数字波束形成体制，以一片Cyclone IV系列FPGA作为数字处理核心，采用定制化、高度集成的射频芯片完成射频输入到数字中频的转换，使用光纤将数据传输出去，满足接口的通用性[10]。按照这种思路，将射频信道、模数转换、数字波束形成和光纤数据传输集成在一个较小的结构内，功耗低，方便集成和规模拓展[11]。接收组件原理框图如图1所示。

图1 接收组件原理

从图1可以看出，采用16个天线接收射频信号后，经过低噪放，送入接收组件，在接收组件内部，完成射频增益控制、数字化、数字波束形成处理和光纤数据发送，最终将波束数据传送到下一级进行处理[12]。

多个接收组件可以协同工作，组成更大规模的相控阵系统。监控计算机通过通信接口下发波束参数，完成波束指向、扫描等控制。

2 接收组件设计实现

2.1 硬件一体化设计

接收组件集成了16个射频输入通道，具备数字波束形成能力，通过光纤将波束数据传输到下一级。在硬件设计上，需要考虑射频、数字混合高速设计，这里采用了“三明治”结构设计，如图2所示。

图2 接收组件一体化设计

将本振、射频信道和基带处理分开设计，这样可以有效地抑制射频、数字信号之间的串扰影响，提升射频信道的性能。为了便于维修，将射频信道处理板分为4个完全一样的小板，每个小板对应4路射频输入，如果某个射频通道损坏，只需更换对应小板。

2.2 射频信道下变频与模数变换

为了降低功耗、节省空间，射频信道下变频与模数转换采用具有自主知识产权的定制化专用芯片实现，集成四通道处理，射频输入信号经过增益调整、正交下变频变换到中频，模拟中频通过模数转换、并串转换后，串行中频数据送入基带处理[13]。射频信道下变频与模数转换如图3所示。

图3 射频信道下变频与模数转换

4个相对独立的接收通道共享一个本振输入，共享一个ADC采样时钟输入，保证了4个通道间的相位高度一致性；集成片内低通滤波器，大大提升了易用性，节省了印制板面积；基于电阻比的中频放大器结构保证了各个通道之间的增益高度一致；4个通道各自独立的增益调节，保证了极大的增益调节灵活性；可以通过配置串行配置接口选择外部控制放大器增益、中频带宽等参数。

2.3 基带处理设计

基带处理采用FPGA实现，主要完成数字波束形成、与监控计算机通信和高速数据光纤传输等功能。

2.3.1 数字波束形成

16通道数据数字化后进入FPGA，通过串并转换、本地同步、幅度补偿、相位补偿与加权、下变频、滤波和波束形成后[14]，送入高速收发器，将数据按照指定的帧格式通过光纤发送出去。数字波束形成如图4所示。

图4 数字波束形成

监控计算机下发波束指向、扫描速度等信息，可以快速构建不同波束形成参数的数字波束处理系统，波束数据组帧发送具备通道速率、帧格式调整的能力。

2.3.2 数据同步

大规模相控阵系统中，天线数量数以万计，这时需要数以千计的接收组件协同工作，保证所有天线通道数据的相位对齐[15-16]。

接收组件通过外部输入的秒脉冲、参考时钟等时间基准信号，完成天线数据接收、本地数据同步和光纤发送数据同步等操作。

接收组件数据同步原理如图5所示，同源的采样时钟保证了天线数据采样时刻点的同步；外部秒脉冲用于不同接收组件之间的数据同步，接收组件将天线数据同步到秒脉冲信号的上升沿。

图5 数据同步

2.3.3 快速故障诊断

在超大规模的相控阵系统中，具备能够快速定位故障天线通道的能力非常重要[17-19]。

接收组件具备快速故障诊断能力，能实时监测自身的状态信息：参考时钟、秒脉冲、高速收发器和通道能量。接收组件能够实时收集状态信息，并上报到系统监控，同时具备自动关闭故障通道功能。

在发生故障时，根据故障的级别，能够自动关闭数据发送通道或停止自身的数据发送，这样就不会影响其他正常接收组件的工作。快速故障诊断控制逻辑如图6所示。

图6 快速故障诊断

2.3.4 软核控制技术

基带处理部分仅用一个FPGA芯片实现，与监控计算机通信、自身状态信息监控等操作需要复杂的逻辑控制，因此，采用32位高性能软核处理器NiosII在FPGA内部实现[20-23]，作为接收组件的控制核心。

使用Qsys搭建NiosII CPU系统，外设包括SPI、UART、EPCS、RAM、GPIO、自定义标校与参数设置等，通过高速总线与CPU互联，如图7所示。使用NiosII SBT软件开发环境，完成CPU软件的编写。

图7 软核控制系统

3 工程应用

3.1 波束形成测试

接收组件具有16个射频输入通道，可以同时在多个方向上进行数字波束形成。在微波暗室环境中，将接收组件接入16路相同的射频输入信号，模拟外接4×4天线阵元时射频信号垂直入射的条件，接收组件通过光纤输出在俯仰方向上扫描的数据，接收组件在俯仰方向上从0°扫描到180°，步进为1°，绘制出方向图如图8所示。

从测试结果可以看出，实际测试结果与理论仿真吻合。

图8 数字波束合成测试

3.2 指标测试分析

对接收组件的各项指标进行测试，测试结果如表1所示。接收组件在很小的体积内和较小的功耗下，实现了16路射频通道接收，具有很好的幅度相位一致性，通道隔离度和镜像抑制水平满足需求。

目前接收组件已在某大规模相控阵系统中得到应用，各项功能及技术指标均达到了设计要求。通过监控指令可灵活控制信号频段、波束扫描参数，满足系统多种情况的测试要求。

实际应用中，接收组件的快速故障诊断功能非常实用，能够有效地避免错误数据的传输。

表1 指标测试结果

测试项结果射频输入范围/GHz0．5～2．5中频带宽/MHz4/10/20幅度一致性/dB3相位一致性/(°)10通道隔离度/dB≥30镜像抑制/dB≥30功耗8V@1A结构尺寸/cm325×7×4

4 结束语

采用本振、射频处理和基带处理3部分分离设计，通过高速接插件连接，使得基带数字部分对射频信道、本振的干扰最小，同时也避免了本振、射频信道之间的相互干扰，提升了整个射频信道的性能指标。接收组件集成度高、成本低和功耗小，同时兼具通用性，可以在不改变硬件的基础上，通过更新软件配置，灵活地应对不同频段、不同带宽的需求。

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