Подложка ИС - интегрированный приемопередатчик упрощает проектирование, повышает свойства фазерной радиолокационной станции

Радиолокационная система с фазированной решеткой имеет несколько передающих и приемных каналов. Ранее такие системы строились с использованием отдельных микросхем (ИС) передачи и приема. В таких системах отдельные микросхемы используются в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП) передающей печатные платы и аналого-цифровом преобразователе (АЦП) приемной платы (Rx) соответственно. Такое дискретное решение делает многие системы крупногабаритными, дорогостоящими, с высоким энергопотреблением, что позволяет получить необходимое количество каналов для выполнения требуемых функций. Из-за сложности процессов изготовления и калибровки такие системы обычно долго выводятся на рынок. Однако недавно появился метод с использованием интегральных приемопередатчиков, позволяющий объединить в одной ИС многие функции, которые раньше считались совершенно разными. Такие ИС позволяют получить радиолокационную систему с фазированной решеткой, имеющую малые размеры, низкое энергопотребление и низкую стоимость, большое количество каналов и более короткое время вывода на рынок.

Интегрированный приемопередатчик объединяет несколько функций в одной ИС, как, например, приемопередатчик ADRV9009 компании ADI (рис. 1). Он объединяет ЦАП, АЦП, синтезатор частоты локального генератора (LO), микропроцессор, смеситель и другие функции в одном кристалле размером 12 мм*12 мм. Кроме того, в изделии интегрированы два канала приема и два канала передачи, а также несколько компонентов цифровой обработки сигналов (DSP) для получения мгновенной полосы пропускания, необходимой системе. Также предусмотрен интерфейс прикладного программирования (API) для работы приемопередатчика на программной платформе заказчика. Для управления усилением и затуханием можно использовать встроенную в кристалл сеть фронтальных сигналов. Встроенные процедуры инициализации и следящей калибровки позволяют обеспечить характеристики, необходимые для многих коммуникационных и военных приложений. 

Эти интегрированные приемопередатчики могут формировать все тактовые сигналы, необходимые для работы передатчика и приемника, путем подачи опорного тактового сигнала REF_CLK. Затем все тактовые сигналы, необходимые для выборки ЦАП/АЦП, генерации LO и микропроцессорных часов, синтезируются встроенным в микросхему фазовращателем (PLL). Если внутреннего фазового шума LO недостаточно для удовлетворения требований заказчика, то пользователь может подключить внешний LO с низким фазовым шумом.

Данные от приемопередатчика передаются по стандартизованному высокоскоростному интерфейсу последовательных данных JESD204b. Этот интерфейс поддерживает одновременный прием и передачу больших объемов данных. Новое интегрированное решение для приемопередатчиков может помочь в создании интерфейсных ИС и ускорить выход на рынок. Если требуется детерминированная задержка и синхронизация данных, пользователи могут воспользоваться встроенной функцией многокристальной синхронизации (MCS) и передать сигнал SYS_REF в качестве основного опорного сигнала синхронизации для начальной последовательности выравнивания каналов (ILAS)1.

Кроме того, встроенная функция фазовой синхронизации RFPLL может быть использована для установки фазы LO канала передачи или приема детерминированной относительно основной опорной фазы. Использование характеристик фазовой синхронизации MCS и RFPLL позволяет обеспечить фазовое согласование при инициализации компонентов, перестройке частоты, открытии/закрытии канала приемопередатчика. На рис. 2 показан пример нового интегрированного трансивера, обеспечивающего детерминированную фазу и поддерживающего все эти функции.

Рисунок 2. Встроенная функция фазовой синхронизации RFPLL позволяет обеспечить детерминированное фазовое соотношение между системой и основным опорным источником.

Использование нескольких интегрированных приемопередатчиков

Если в системе требуется более двух приемников и двух передатчиков, пользователи все равно могут использовать несколько интегрированных приемопередатчиков, получая при этом выгоду от малых размеров, достигаемых за счет однокристальных каналов приема и передачи. Пример такой техники показан на рис. 3. Внутренний делитель частоты всех ИС может быть запущен одновременно с помощью одновременного импульса SYS_REF для синхронизации нескольких интегральных приемопередатчиков. Эти импульсы SYS_REF могут выдаваться микросхемой тактового генератора или процессором базовой полосы частот с программируемой задержкой, что позволяет компенсировать флуктуации задержки, вызванные несовпадением длины трактов между ИС. В результате задержки в трактах передачи данных между несколькими микросхемами и несколькими LO могут быть детерминированы.

Рисунок 3. Для увеличения числа каналов в системе можно использовать несколько интегрированных приемопередатчиков.

Интегрированный приемопередатчик - основа радара с фазированной решеткой

Использование синхронных интегральных приемопередатчиков для увеличения числа каналов позволяет сделать эти устройства основой платформы радара с фазированной решеткой. В сочетании с фазовым и амплитудным согласованием каналов передачи и приема использование нескольких интегрированных приемопередатчиков позволяет улучшить динамический диапазон системы, снизить уровень помех и фазовых шумов. печатные платы

Встроенные в микросхему функции ЦОС, такие как генератор с числовым программным управлением (NCO) и цифровой повышающий или цифровой понижающий преобразователь (DDC), позволяют использовать методы декорреляции помех на уровне системы в рамках одной ИС2.

Использование нескольких интегральных приемопередатчиков для объединения каналов приемопередатчика позволяет улучшить спектральную плотность шума (NSD) и характеристики помех на системном уровне. Этот шаг позволяет улучшить динамический диапазон радиолокационной системы с фазированной решеткой за счет снижения эффективного фонового шума системы при сохранении всех функций канала. На рис. 4 показаны результаты измерений на уровне системы, полученные после интеграции до 8 приемных каналов интегрированного приемопередатчика и эффективного увеличения количества разрядов в системе фазированной решетки. Отметим, что при увеличении от одного канала до восьми каналов НСД и расчетный шумовой пол (представленные красной линией на каждом рисунке) возрастут на 6 дБ. Это объясняется тем, что, несмотря на наличие 8 каналов, среди 4 интегрированных приемопередатчиков, используемых для создания этих 8 каналов, имеется только 4 различных и не связанных между собой LO (NLO = 4). Таким образом, были достигнуты следующие улучшения:

Полученные результаты аналогичны экспериментальным результатам, полученным с помощью интегрированного приемопередатчика. Кроме того, избыточные частоты формирования изображения агрегируются некоррелированным образом для достижения улучшения помехозащищенности на уровне системы. По мере увеличения числа каналов производительность будет еще больше улучшаться, что позволит создать масштабируемую систему.

Увеличение числа каналов приведет к дальнейшему росту фазовых шумов радиолокационной системы с фазированной решеткой. В качестве альтернативы можно подать внешнее LO на каждый подмассив, состоящий из N интегрированных приемопередатчиков TRx, и улучшить начальный фазовый шум по сравнению с уровнем подмассива (как показано синей кривой на рис. 5). Однако в этом случае, поскольку все элементы в подмассиве имеют один и тот же источник LO, они связаны друг с другом, поэтому самостоятельно обеспечить улучшение канального уплотнения в подмассиве невозможно. Для получения данных о фазовом шуме внешнего LO, представленных на рис. 5, в качестве внешнего источника LO используется генератор сигналов R&S SMA100B.

Рисунок 5. При использовании внутреннего LO объединение нескольких каналов передачи ADRV9009 позволяет улучшить характеристики фазового шума на уровне системы. Ввод внешнего LO улучшает начальные фазовые шумы подмассива.

Встроенные функции ЦОС (такие как NCO, цифровой фазовращатель и DUC/DDC) позволяют реализовать сдвиг фазы и частоты базовой полосы в цифровой области, что, в свою очередь, позволяет реализовать цифровые лучи в многоканальных интегрированных радарных системах с фазированными решетками на базе приемопередатчиков Shaping. После интеграции нескольких функций в одну ИС система может использовать интегрированные приемопередатчики для достижения расстояния между антенными решетками во многих смежных приложениях фазированных решеток. Использование большего количества приемопередатчиков для увеличения числа каналов, как правило, позволяет сузить луч, но приводит к увеличению размеров системы. Однако сейчас, когда в одной ИС интегрировано множество функций, доля увеличения размеров системы все еще меньше, чем в прошлом. После использования MATLAB® для моделирования диаграммы направленности излучения на рис. 6 показано, как сужается луч при увеличении числа каналов с 8 до 1024, а также как увеличивается амплитуда теоретического лепестка. Фактическая точка нулевой мощности будет определена при проектировании антенны.

Рисунок 4. Использование интегрированного приемопередатчика ADRV9009 для объединения канала приема позволяет снизить спектральную плотность шума и улучшить динамический диапазон.

в заключение

Интеграция нескольких цифровых и аналоговых функций в одной ИС позволяет реализовать более компактную радиолокационную систему с фазированной решеткой. Такие системы поддерживают реализацию цифрового и гибридного формирования луча, в зависимости от технических характеристик системы. Было доказано, что с помощью ADRV9009 компании ADI можно добиться повышения производительности на уровне системы. Эти интегрированные устройства позволяют во многих новых системах использовать одно и то же аппаратное обеспечение для работы нескольких приложений.

Кроме того, после выравнивания фазы и интеграции нескольких каналов интегрированного приемопередатчика можно улучшить фазовый шум системы фазированной решетки. Из результатов измерений, представленных на трех верхних кривых рис. 5, видно, что характеристики фазового шума улучшаются после объединения 8 каналов с использованием внутреннего LO 4 интегральных микросхем приемопередатчиков. Повторим еще раз: при наличии 4 различных и некоррелированных LO при увеличении от 1 канала передачи до 8 каналов фазовый шум увеличивается на 6 дБ. печатные платы