Substrato IC - Il ricetrasmettitore integrato semplifica la progettazione e migliora le prestazioni radar phased array

Il sistema radar phased array ha più canali di trasmissione e ricezione. In precedenza, questi sistemi sono stati costruiti utilizzando chip separati di trasmissione e ICreceive (IC). Questi sistemi utilizzano chip separati nel convertitore digitale-analogico (DAC) del circuito PCB trasmittente e nel convertitore analogico-digitale (ADC) del circuito ricevente (Rx), rispettivamente. Questa soluzione discreta rende molti sistemi di grandi dimensioni, costosi e ad alto consumo energetico, in modo da poter ottenere il numero di canali richiesto per svolgere le funzioni richieste. A causa dei complessi processi di produzione e taratura, questi sistemi di solito richiedono molto tempo per essere commercializzati. Tuttavia, è recentemente emerso un metodo che utilizza ricetrasmettitori integrati, che fonde molte funzioni che una volta erano considerate completamente diverse in un unico IC. Questi IC aiutano a realizzare un sistema radar phased array con dimensioni ridotte, basso consumo energetico e basso costo, alto numero di canali e un tempo di commercializzazione più breve.

Il ricetrasmettitore integrato integra più funzioni in un unico IC, come il ricetrasmettitore ADRV9009 di ADI (Figura 1). Integra DAC, ADC, sintetizzatore di frequenza dell'oscillatore locale (LO), microprocessore, mixer e più funzioni in un singolo chip da 12mm * 12mm. Inoltre, il prodotto integra anche due canali di ricezione e due canali di trasmissione, nonché più componenti di elaborazione digitale del segnale (DSP) per ottenere la larghezza di banda istantanea richiesta dal sistema. Viene inoltre fornita un'interfaccia di programmazione delle applicazioni (API) per il funzionamento del ricetrasmettitore sulla piattaforma software del cliente. La rete front-end on-chip può essere utilizzata per ottenere il controllo di guadagno e attenuazione. Le routine di calibrazione incorporate di inizializzazione e tracciamento sono utilizzate per fornire le prestazioni richieste per molte applicazioni di comunicazione e militari.

Questi ricetrasmettitori integrati possono creare tutti i segnali di clock richiesti dal trasmettitore e dal ricevitore iniettando un segnale di clock di riferimento chiamato REF_CLK. Quindi, tutti gli orologi necessari per il campionamento DAC/ADC, la generazione LO e l'orologio a microprocessore sono sintetizzati dal loop phase-locked (PLL) on-chip. Se il rumore interno di fase LO non è sufficiente per soddisfare i requisiti applicativi del cliente, l'utente può iniettare un LO basso rumore di fase dall'esterno.

I dati del ricetrasmettitore vengono trasmessi tramite l'interfaccia dati seriale ad alta velocità standardizzata JESD204b. Questa interfaccia supporta la ricezione e l'invio di grandi quantità di dati allo stesso tempo. La nuova soluzione integrata del ricetrasmettitore può aiutare a fornire IP di interfaccia e aiutare i clienti ad accelerare il time to market. Se sono necessari ritardi deterministici e sincronizzazione dei dati, gli utenti possono utilizzare la funzione integrata di sincronizzazione multi-chip (MCS) e inviare il segnale SYS_REF come riferimento principale per la sequenza di allineamento del canale iniziale (ILAS)1.

Inoltre, la funzione integrata di sincronizzazione di fase RFPLL può essere utilizzata per impostare la fase LO del canale di trasmissione o ricezione in modo deterministico rispetto alla fase di riferimento principale. Utilizzando le caratteristiche di sincronizzazione di fase MCS e RFPLL, è possibile garantire l'allineamento di fase durante l'inizializzazione dei componenti, la sintonizzazione della frequenza o l'apertura/chiusura del canale del ricetrasmettitore. La Figura 2 mostra un esempio di un nuovo ricetrasmettitore integrato che fornisce la fase deterministica e supporta tutte queste funzionalità.

Figura 2: La funzione integrata di sincronizzazione di fase RFPLL consente una relazione di fase deterministica tra il sistema e la sorgente di riferimento principale.

Utilizzare più ricetrasmettitori integrati Se il sistema richiede più di due ricevitori e due trasmettitori, gli utenti possono ancora utilizzare più ricetrasmettitori integrati e beneficiare delle piccole dimensioni ottenute dai canali di ricezione e trasmissione a singolo chip. Un esempio di questa tecnica è mostrato nella Figura 3. Il divisore di frequenza interno di tutti i IC può essere attivato contemporaneamente utilizzando l'impulso simultaneo SYS_REF per sincronizzare più ricetrasmettitori integrati. Questi impulsi SYS_REF possono essere emessi da un chip di clock o da un processore a banda base con un ritardo programmabile, che può compensare le fluttuazioni di ritardo causate da lunghezze di percorso errate tra IC. Di conseguenza, i percorsi dei dati attraverso più chip e più LO possono essere ritardati deterministicamente.

Figura 3: I ricetrasmettitori integrati multipli possono essere utilizzati per aumentare il numero di canali nel sistema.

Il ricetrasmettitore integrato è la spina dorsale del radar phased array Utilizzando i ricetrasmettitori sincroni integrati per aumentare il numero di canali, questi dispositivi diventano la spina dorsale della piattaforma phased array radar. Quando combinato con i canali di trasmissione e ricezione allineati in fase e ampiezza, l'uso di più ricetrasmettitori integrati può migliorare la gamma dinamica a livello di sistema, il rumore spurio e di fase.

Le funzionalità DSP on-chip, come l'oscillatore a controllo numerico (NCO) e il convertitore su digitale o il convertitore giù digitale (DDC), ora supportano l'uso di metodi di decorrezione falsa a livello di sistema all'interno di un singolo IC2.

Utilizzando più ricetrasmettitori integrati per combinare i canali del ricetrasmettitore, la densità spettrale del rumore a livello di sistema (NSD) e le prestazioni false sono migliorate. Questa mossa migliora la gamma dinamica del sistema radar phased array riducendo il rumore di fondo effettivo del sistema mantenendo tutte le funzioni del canale. La figura 4 mostra i risultati di misura a livello di sistema ottenuti dopo aver integrato fino a 8 canali di ricezione del ricetrasmettitore integrato e aumentato efficacemente il numero di bit nel sistema phased array. Si noti che quando si passa da un canale a otto canali, l'NSD e il rumore di fondo calcolato (rappresentato dalla linea rossa in ogni figura) aumenteranno di 6 dB. Questo perché, sebbene ci siano un totale di 8 canali, ci sono solo 4 LO diversi e non correlati (NLO = 4) tra i 4 ricetrasmettitori integrati utilizzati per creare questi 8 canali. Pertanto, sono stati raggiunti i seguenti miglioramenti:

I risultati ottenuti sono simili ai risultati sperimentali forniti dal ricetrasmettitore integrato. Inoltre, le frequenze di imaging ridondanti sono aggregate in modo non corretto per ottenere un miglioramento delle prestazioni falso a livello di sistema. Con l'aumento del numero di canali, le prestazioni saranno ulteriormente migliorate per ottenere un sistema scalabile.

Figura 4: Utilizzando il ricetrasmettitore integrato ADRV9009 per integrare il canale di ricezione può ridurre la densità spettrale del rumore e migliorare la gamma dinamica.

Figura 5: Quando si utilizza LO interno, l'integrazione di più canali di trasmissione ADRV9009 può migliorare le prestazioni di rumore di fase a livello di sistema. L'iniezione di un LO esterno migliorerà il rumore di fase iniziale del sub-array.

Le funzionalità DSP integrate (come NCO, phase shifter digitale e DUC/DDC) consentono l'implementazione dello spostamento di fase in banda base e dello spostamento di frequenza nel dominio digitale, che a sua volta consente l'implementazione di fasci digitali in sistemi radar phased array multi-canale integrati basati su ricetrasmettitore Shaping. Dopo aver integrato più funzioni in un unico IC, il sistema può ora utilizzare ricetrasmettitori integrati per ottenere la spaziatura del reticolo dell'antenna in molte applicazioni phased array correlate. L'uso di più ricetrasmettitori per aumentare il numero di canali può generalmente restringere il fascio, ma si tradurrà in un sistema più grande. Tuttavia, ora che più funzioni sono integrate in un unico IC, la proporzione del sistema che diventa più grande è ancora inferiore rispetto al passato. Dopo aver utilizzato MATLAB® per simulare il modello di radiazione, la Figura 6 mostra come il fascio si restringe quando il numero di canali è aumentato da 8 a 1024, e come l'ampiezza teorica del lobo diventa più profonda. Il punto zero effettivo di potenza sarà determinato nella progettazione dell'antenna.

In concluzioneIntegrando più funzioni digitali e analogiche in un unico IC è possibile realizzare un sistema radar phased array più piccolo. Questi sistemi supportano l'implementazione del beamforming digitale e ibrido beamforming, a seconda delle specifiche del sistema. È stato dimostrato che i miglioramenti delle prestazioni a livello di sistema possono essere raggiunti utilizzando ADRV9009 di ADI. Questi dispositivi integrati consentono a molti nuovi sistemi di utilizzare lo stesso hardware per eseguire più applicazioni.