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，同時還能整合入帶內全雙工（IBFD）技術。已經(jīng)證明，數(shù)字控制的自互干消除技術可以在一個單一孔徑內為有限數(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)及技術來源自林肯實驗室一、簡介

相控陣的使用通過波束形成和波束指向技術，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。當將帶內全雙工（IBFD）技術應用于陣列中時，它們可以同時支持多種應用，包括提供集成感知和通信（ISAC）能力。

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

對于只有一個天線孔徑的陣列，這些SIC方法的組合可以使得IBFD操作在孔徑級別或單元級別下實現(xiàn)。盡管后者可以同時實現(xiàn)發(fā)射和接收的孔徑完全利用，但每個獨立元件上需要高強度的SIC，這往往會嚴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)雷達和通信功能進一步劃分的專用發(fā)射子陣列的孔徑級IBFD陣列示例。

二、陣列操作

圖2：孔徑級別的IBFD概念，突出了三種不同的SIC技術：自適應發(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IBFD陣列的操作概念。該圖示出左側兩個發(fā)射元件和右側兩個接收元件，但可按照任意陣列大小或維度進行調整。當發(fā)射器處于活動狀態(tài)時，部分發(fā)射信號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導致接收器飽和。為了避免飽和，對于這個孔徑級架構，可以采用三種不同的自干擾消除（SIC）技術之一：自適應發(fā)射波束成形。這個數(shù)字處理過程涉及對獨立發(fā)射通道的數(shù)據(jù)樣本進行加權，以使陣列上的接收元件方向出現(xiàn)近場零點。經(jīng)過優(yōu)化，這一步驟的效果是保持期望的遠場輻射同時減小發(fā)射信號的強度，以便可以在每個接收元件上進行線性處理和數(shù)字化。

三、陣列系統(tǒng)

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

圖3：可擴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）的孔徑板（）組件，以及包含直流電源調節(jié)和射頻SoC（RFSoC）集成數(shù)據(jù)轉換器和信號處理器的背板組件。在這兩個之間，有一個非常重要的冷板，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。以下對陣列系統(tǒng)的各個部分進行詳細解讀：

3.1孔徑組件

孔徑組件負責將陣列電子設備與周圍環(huán)境進行接口連接：發(fā)送傳輸信號并接收數(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個單元。這些單元采用雙極化疊層芯片結構設計，如圖4頂部所示。

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

3.2冷板為了支持ISAC項目，與傳統(tǒng)的僅使用雷達的應用相比（其中發(fā)射器的工作時間僅占總時間的約10%），可能需要讓陣列硬件以更高的工作占空比運行。增加發(fā)射工作占空比會增加總體穩(wěn)態(tài)熱負荷，因為熱產(chǎn)生的時間增加。這需要對陣列上的熱散射進行仔細分析，以確保所有部件都不超過其最高結溫并避免損壞。為此，研究并設計了一個冷板，可用于不同的熱情景下對陣列組件進行冷卻。

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）整個面板上。

圖7：利用液體在垂直通道中流動來從面板中提取熱量的冷板的機械模型（16個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關鍵部件是背板PCB，它負責控制子陣列分區(qū)及其相關功能。背板利用了八個RFSoC部件，它們與最近的鄰居相連，如圖8所示[16]。為了此設計選擇的RFSoC版本具有16個信道，每個信道都有一個模數(shù)轉換器（ADC）和數(shù)模轉換器（DAC），在一個單一封裝中集成了32個數(shù)據(jù)轉換器。

圖9顯示了兩個面板的旁邊連接，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。這種架構創(chuàng)建了一個可擴展的數(shù)字網(wǎng)狀網(wǎng)絡，由多個處理節(jié)點（即RFSoCs）組成，并且可以同時并行處理不同的計算線程。該概念在圖的下部進行了說明，例如，在將兩個數(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)送到計算機進行進一步分析。這種并行的板上處理能力在ISAC應用中非常有用，特別是當陣列如圖1b所示進行分區(qū)并且需要同時計算多個功能的數(shù)據(jù)時。

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

圖9：兩個背板面板的互連，顯示了可擴展的面板間連接性和并行板上處理能力。4.結論

孔徑級IBFD相控陣可通過數(shù)字SIC技術的組合實現(xiàn)發(fā)送和接收區(qū)之間的隔離。這些相控陣和相關的SIC處理方法可以被設計成可伸縮的，可以創(chuàng)建任意規(guī)模的陣列。此可伸縮性的關鍵在于陣列系統(tǒng)的構造，這在面板式架構中已經(jīng)討論過。孔徑和背板PCB組件以及冷板熱管理解決方案被強調為可伸縮方法的關鍵組成部分，可在2.7至范圍內運行。未來的工作包括制作多個陣列面板原型以驗證其功能，并同時展示不同的應用，例如ISAC。

結語

與八個陣列單元進行接口，以支持先前描述的雙極化輻射器的全部16個信道。除了提供數(shù)據(jù)轉換功能之外，RFSoC還提供了陣列上的信號處理能力。這個功能可以用于通過下采樣減少從面板提供的原始數(shù)據(jù)量，和/或計算特定應用的度量，比如雷達或通信檢測。

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demo工程演示如何配置并執(zhí)導各個高速采樣子板執(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多板同步技術通過硬件與軟件協(xié)同，實現(xiàn)多塊射頻片上系統(tǒng)板卡間的時鐘相位對齊和觸發(fā)同步，確保各板卡ADC/DAC在皮秒級精度內協(xié)同工作。這項技術解決了分布式射頻系統(tǒng)中"時序不宜正"等多項挑戰(zhàn)，是現(xiàn)代高精度射頻應用的基礎設施。

上述兩幅圖展示了單板搭載一顆（XCZU49DR）IC后，通過多板同步技術及時鐘板（單塊時鐘板最高可同步7塊信號處理板卡），此時系統(tǒng)就可擴展為32/64/128/256通道，且可保證每個通道間達到PS級同步。這種方案在雷達信號處理、電子戰(zhàn)及通信監(jiān)測中得到了廣泛的應用。

通過皮秒級精度的協(xié)同，使得分布式射頻系統(tǒng)突破性能極限。從相控陣雷達的精度掃描到量子計算的精密精密控制，從5G基站的大規(guī)模天線到射電望遠鏡的宇宙觀測，這項技術正重塑我們連接、感知和探索世界的方式。

審核編輯 黃宇