C波段高密度集成瓦片式數字相控陣天線

陳自然， 許 明， 張 萌，3， 張有明

(1. 航天科工通信技術研究院有限責任公司， 四川成都 610051； 2. 廣州中雷電科科技有限公司， 廣東廣州 510530；3. 東南大學信息科學與工程學院， 江蘇南京210096；4. 東南大學網絡空間安全學院， 江蘇南京210096)

0 引 言

現代化戰爭對作戰平臺的綜合性作戰性能的要求在逐步上升，隨著武器裝備信息化的發展，現代化武器必須適應多功能、一體化的發展趨勢。長期以來，機載、艦載、彈載等武器平臺的射頻傳感器都是單獨分散在系統中，其功能單一，兼容性差，不能形成高效的統一作戰平臺。系統中大量的電子設備引發的一個重要問題是天線越來越多，直接導致作戰平臺重量增加，成本加劇，維護困難。“高集成度”和“綜合射頻”被認為是解決上述問題的關鍵手段。

伴隨著半導體工藝的發展，芯片制造從早期單一功能集成電路逐步向系統級多功能高集成電路、片上系統(System on Chip)以及系統級封裝(System in Package)邁進。其中片上系統多采用CMOS工藝，將射頻收發鏈路和頻率合成器集成在單個芯片內，可大大減少對PCB面積和芯片數量的需求，被認為是一種最有前途的高密度集成方式。對于相控陣前端，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，采用先進封裝及瓦片集成技術能夠解決相控陣前端小體積、高功率密度、多功能集成等技術指標問題，并且能夠提高系統可靠性及可重構性。先進封裝及瓦片集成技術正成為相控陣雷達研發中的重要技術形式。

在此背景下，針對軍用電子系統采用數字化技術，強調射頻孔徑的通用性，根據不同的任務需求采取不同的后端數字處理模式，是軍用電子系統發展的必然趨勢。從優化空時資源及提高可靠性的角度來講，采用相控陣體制會具有非常明顯的優勢，如采用收發全數字波束形成的新一代相控陣，比起傳統的模擬相控陣，具有動態范圍大、指向精度高、易于支持寬帶信號、易于實現同時多波束等優點，是軍用電子系統發展的重要方向。

目前，數字T/R組件已成為國內外各相關單位的研究熱點。李歸等提出了一種基于正交投影算法的發射多波束形成和數字時延補償方法，對發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輸出相控陣雷達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字波束形成方法，可以實現準確的波束指向和近似理想的主瓣，同時計算量小、工程可實現性較高。

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通道數字相控陣系統，工作在C波段，集成了天線陣面、校準網絡、收發信道、波束形成器等部件。該數字相控陣系統的各部件通過瓦片集成方式垂直互聯，相比傳統的磚塊式方案，具有低剖面、通用性強、寬帶特性好、易于擴展等諸多優點。

隨著微波毫米波器件的日趨成熟，制造成本顯著下降，各整機單位對相控陣的開發越來越重視，紛紛要求把傳統體制系統陸續改為相控陣體制，相控陣系統將更加廣泛地應用于各型導彈、雷達及各種重點工程。本項目研制的數字相控陣適用于以上應用，場景豐富、迭代升級能力強，具有巨大的市場潛力。

1 數字相控陣系統設計

本文設計的數字相控陣系統，可分為射頻系統和數字系統兩大部分，其核心原理框圖如圖1所示。

圖1 數字相控陣系統原理框圖

射頻系統主要由天線陣列和收發信道構成，其中天線陣面為4×4面陣，陣元形式為微帶天線；校準及時鐘模塊包括板級校準網絡、內外時鐘切換和相參時鐘產生；收發信道以一體化射頻前端為核心，完成信號的上下變頻及濾波放大。信號處理模塊主要由中頻數字信道、數字波束形成模塊構成，其中中頻數字信道完成抗混疊濾波、AD采樣、數字濾波以及發射端波形產生；數字波束形成模塊完成收發數字波束形成。

高集成度射頻前端集成了功放、可調衰減器、低噪放、混頻器、鎖相環等大部分射頻通道器件，大大簡化了外圍器件數量和設計難度。因此射頻收發通道可以設計得非常緊湊，只占用很少的PCB面積，基于此，本文設計的數字相控陣系統方式采用瓦片式垂直互聯進行整體集成，集成方式如圖2所示。

圖2 數字相控陣的集成方式

2 陣列天線設計

根據數字相控陣系統的指標要求，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泰勒加權進行設計。

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，另外通過加載技術還可以有更多的變形種類。對于貼片天線而言，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。考慮到該天線的工作頻帶并不寬，且結構接口便于與后端模塊進行對插，天線單元選擇常規的微帶矩形貼片天線，通過同軸探針從背后進行饋電。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對天線單元進行建模仿真。天線單元仿真模型如圖3所示，天線單元遠場方向圖如圖4所示。

圖3 天線單元仿真模型

圖4 天線單元遠場方向圖

利用仿真軟件對天線陣列進行了建模仿真。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場方向圖。

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果可見，天線增益/副瓣電平/波束指向精度等天線主要指標可滿足系統要求。

3 射頻通道設計

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，其收發通道電路拓撲如圖8(a)所示，芯片照片如圖8(b)所示。

(a) 高集成度射頻前端收發通道電路拓撲圖

(b) 高集成度射頻前端照片圖8 高集成度射頻前端收發通道電路拓撲圖及照片

其中接收鏈路完成C波段信號接收、調理，并下變頻到150 MHz中心頻率；發射鏈路完成150 MHz基帶信號的上變頻、驅動和發射濾波。高集成度射頻前端包括TX和RX通道，在TX通道集成了驅動放大器、混頻器、發射鎖相環、濾波器等器件，在RX通道集成了低噪聲放大器、混頻器、接收鎖相環和濾波器。

射頻收發通道的外圍關鍵器件是射頻預選濾波器和中頻抗混疊濾波器。其中射頻預選濾波器主要保證收發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雜散信號，偏離中心頻率為110 MHz，混頻器自身可抑制30 dBc，所以預選濾波器在該處抑制30 dBc即可；且本振泄露電平較大，需對本振信號的抑制達到50 dBc以上。則濾波器選擇性的設計要求如公式(1)，采用介質濾波器實現，其典型頻率響應曲線如圖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帶內的雜散，需抑制到70 dB以下，以免其混疊后影響有用信號使其失真。落入210～290 MHz帶內的雜散主要是四階交調信號220～380 MHz，混頻器自身的四階交調抑制可以達到50 dBc以上，中頻濾波器抑制度達到20 dBc即可，即濾波器的-20 dB=±70 MHz。采用LC方式即可實現中頻濾波器，其典型頻率響應如圖10所示。

圖9 射頻預選濾波器頻率響應

圖10 中頻濾波器頻率響應

4 數字中頻設計

本文將數字中頻劃分為一塊單獨的信號處理板，由2片FPGA、4片高速四通道AD、4片高速四通道DA、1片校準AD、1片校準DA、1個低抖動的時鐘驅動器和2片SPI FLASH組成。其中2片FPGA之間連接一條高速總線，用來接收用戶的高速基帶IQ數據。對外的接口都由FPGA引出，包含2片FPGA的配置JTAG組成的菊花鏈、對外通信的一組高速光纖口和一組低速J30J接口。數字中頻處理板的原理框圖如圖11所示。

在進行波束形成前，需要對每個通道固有的幅度相位差進行校準，常采用乘法器，其實現和原理比較簡單，這里重點闡述相位的均衡算法。針對寬帶信號，為了避免在中心頻點移相帶來的孔徑渡越效應，最常用的方式均衡方式是分數延時濾波器。分數延時濾波的理想沖擊響應為

()=sinc(-)

(2)

圖11 數字中頻處理板原理框圖

式中，=+，為整數延時，為分數延時。

對整數延時，在邏輯器件里面實現起來非常簡單。對于分數延時，本文采用FIR濾波器的方式實現。預先在FPGA的內部ROM里生成延時量從0.1*T_data到0.9*T_data的FIR濾波器系數，其中T_data為抽取之后的采樣率。每次上電之后，校準網絡通過開關切換的方式將校準信號發送至各個射頻通道，經過數字信號處理得到各個通道的延時誤差，并通過動態加載的方式調用不同的FIR濾波器系數生成相應延時的FIR濾波器，對各通道進行均衡。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 測試與校準

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

圖13 16通道數字相控陣系統實物圖

利用遠場方式對包含天線單元在內的多通道的幅度和相位不一致性進行校準，校準之前的各通道采樣信號如圖14所示，各路通道之間存在明顯的相位不一致，多通道信號合成效果如圖15所示。

圖14 校準之前各路通道采樣信號

圖15 多通道信號合成效果(對齊之前)

加載數字校準模塊之后，各通道的相位對齊情況如圖16所示，可見各通道的信號相位完全對齊，多通道信號合成效果如圖17所示，信噪比相比相位對齊之前提升3 dB。

圖16 校準之后各路通道采樣信號

圖17 多通道信號合成效果(對齊之后)

在暗室中對該相控陣天線陣列法向方向圖進行測試，測試現場與測試結果如圖18和圖19所示。由于數字陣架構在通道前段沒有耦合檢測功能，所以將有源駐波的影響統一到方向圖里。

圖18 暗室測試現場

圖19 數字波束形成方向圖(紅色：俯仰面，藍色：方位面)

6 結束語

綜上所述，該數字相控陣系統采用瓦片集成方式，包含天線陣面、射頻鏈路、中頻鏈路及數字波束形成基帶，經過遠場外校準可矯正各通道之間的幅相誤差，矯正之后其方向圖暗室測試指標與仿真結果接近，可達到數字波束形成的效果。