林肯实验室前沿文献解读：相控阵架构如何驱动可扩展的集成感知与通信（1）
发布时间:
2025-12
相控阵系统可以直接支持集成感知和通信（ISAC）以及其他功能，同时还能整合入带内全双工（IBFD）技术。已经证明，数字控制的自互干消除技术可以在一个单一孔径内为有限数量的原件之间创建发射和接收子阵的隔离。 注：本文数据及技术来源自林肯实验室
一、简介
相控阵的使用通过波束形成和波束指向技术，可以将辐射聚焦在所需的空间方向上。这为系统在发送和接收方面提供了更高的天线增益，可以改善链路效果。当将带内全双工（IBFD）技术应用于阵列中时，它们可以同时支持多种应用，包括提供集成感知和通信（ISAC）能力。IBFD也被称为同时发射和接收（STAR），代表着一种新兴的技术，打破了传统的频谱共享范例，允许设备在同一频率上同时进行发射和接收。只有在设备的发送信号被抑制到或低于设备接收器的噪声水平时，才能实现该功能，这被称为自干扰消除。
对于相控阵和其他定向/全向IBFD系统，可以通过跨给定收发器架构的传播、模拟和数字领域使用多种技术来获得足够的SIC 。
对于只有一个天线孔径的阵列，这些SIC方法的组合可以使得IBFD操作在孔径级别或单元级别下实现。尽管后者可以同时实现发射和接收的孔径完全利用，但每个独立元件上需要高强度的SIC，这往往会严重影响阵列的输出功率和噪声指数。
图1：具有(a) 发射和接收子阵列和(b) 根据雷达和通信功能进一步划分的专用发射子阵列的孔径级IBFD阵列示例。
二、阵列操作
图2：孔径级别的IBFD概念，突出了三种不同的SIC技术：自适应发射和接收数字波束形成以及基于参考的数字抵消。
图2显示了孔径级IBFD阵列的操作概念。该图示出左侧两个发射元件和右侧两个接收元件，但可按照任意阵列大小或维度进行调整。当发射器处于活动状态时，部分发射信号泄漏到附近的接收元件中，引起自干扰（SI），并且在适中的输出功率下会导致接收器饱和。为了避免饱和，对于这个孔径级架构，可以采用三种不同的自干扰消除（SIC）技术之一：自适应发射波束成形。这个数字处理过程涉及对独立发射通道的数据样本进行加权，以使阵列上的接收元件方向出现近场零点。经过优化，这一步骤的效果是保持期望的远场辐射同时减小发射信号的强度，以便可以在每个接收元件上进行线性处理和数字化。
三、阵列系统
阵列概念其局限性在于小规模的原型无法轻松增加元件数量。之前已经确定了三项核心技术以推进这些阵列的可扩展性：全数字设计，发射/接收（T/R）模块和波束成形/抵消算法。这些部分可以通过可扩展的面板式架构进行整合，如图3所示的爆炸视图。
图3：可扩展阵列板的爆炸视图，突出显示孔径板和背板PCB组件以及它们之间的热管理冷板。
图示了主要组件，即带有附加在背面的T/R模块（照片中不可见）的孔径板（）组件，以及包含直流电源调节和射频SoC（RFSoC）集成数据转换器和信号处理器的背板组件。在这两个之间，有一个非常重要的冷板，作为热管理解决方案，将热量从孔径和背板上的部件散发出去。
以下对阵列系统的各个部分进行详细解读：
3.1孔径组件
孔径组件负责将阵列电子设备与周围环境进行接口连接：发送传输信号并接收数据。为此，它由辐射单元组成，这些单元按照8x8的方形网格排列，总共有64个单元。这些单元采用双极化叠层芯片结构设计，如图4顶部所示。
双极化天线辐射元件的电磁模型，说明其如何适配到一个8x8阵列中，以及T/R模块如何安装在网格间距内。
3.2冷板
为了支持ISAC项目，与传统的仅使用雷达的应用相比（其中发射器的工作时间仅占总时间的约10%），可能需要让阵列硬件以更高的工作占空比运行。增加发射工作占空比会增加总体稳态热负荷，因为热产生的时间增加。这需要对阵列上的热散射进行仔细分析，以确保所有部件都不超过其最高结温并避免损坏。为此，研究并设计了一个冷板，可用于不同的热情景下对阵列组件进行冷却。
图6：热模型显示传输元件赋值情况下的阵列温度差异，单位为摄氏度（a）仅在左半部分和（b）整个面板上。
图7：利用液体在垂直通道中流动来从面板中提取热量的冷板的机械模型（16个矩形切口用于连接孔与背板）。
3.3背板
阵列面板堆叠的最后一个关键部件是背板PCB，它负责控制子阵列分区及其相关功能。背板利用了八个RFSoC部件，它们与最近的邻居相连，如图8所示[16]。为了此设计选择的RFSoC版本具有16个信道，每个信道都有一个模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），在一个单一封装中集成了32个数据转换器。
图9显示了两个面板的旁边连接，表明高速数据接口不仅连接了面板上的RFSoCs，还连接了面板之间的RFSoCs。这种架构创建了一个可扩展的数字网状网络，由多个处理节点（即RFSoCs）组成，并且可以同时并行处理不同的计算线程。该概念在图的下部进行了说明，例如，在将两个数据流最初在板上处理成指向不同方向的阵列波束之前，将其发送到计算机进行进一步分析。这种并行的板上处理能力在ISAC应用中非常有用，特别是当阵列如图1b所示进行分区并且需要同时计算多个功能的数据时。
图8：背板电路板组装，突出显示每个RFSoC与阵列上的8个单元之间的连接以及它们之间的互连关系。
图9：两个背板面板的互连，显示了可扩展的面板间连接性和并行板上处理能力。
4.结论
孔径级IBFD相控阵可通过数字SIC技术的组合实现发送和接收区之间的隔离。这些相控阵和相关的SIC处理方法可以被设计成可伸缩的，可以创建任意规模的阵列。此可伸缩性的关键在于阵列系统的构造，这在面板式架构中已经讨论过。孔径和背板PCB组件以及冷板热管理解决方案被强调为可伸缩方法的关键组成部分，可在2.7至范围内运行。未来的工作包括制作多个阵列面板原型以验证其功能，并同时展示不同的应用，例如ISAC。
结语
与八个阵列单元进行接口，以支持先前描述的双极化辐射器的全部16个信道。除了提供数据转换功能之外，RFSoC还提供了阵列上的信号处理能力。这个功能可以用于通过下采样减少从面板提供的原始数据量，和/或计算特定应用的度量，比如雷达或通信检测。
目前RFSoC单芯片（Zynq UltraScale+XCZU49DR）可支持单板16通道ADC(14-bit、2.5Gsps)ports、16通道DAC（14-bit、9.85Gsps）ports。西安彼睿电子科技提供这样一种方案：通过demo工程演示如何配置并执导各个高速采样子板执行通道间多瓦片同步（MTS），以获得每次上电后稳定的通道间采样相位差。RFSoC多板同步技术通过硬件与软件协同，实现多块射频片上系统板卡间的时钟相位对齐和触发同步，确保各板卡ADC/DAC在皮秒级精度内协同工作。这项技术解决了分布式射频系统中"时序不宜正"等多项挑战，是现代高精度射频应用的基础设施。
上述两幅图展示了单板搭载一颗（XCZU49DR）IC后，通过多板同步技术及时钟板（单块时钟板最高可同步7块信号处理板卡），此时系统就可扩展为32/64/128/256通道，且可保证每个通道间达到PS级同步。这种方案在雷达信号处理、电子战及通信监测中得到了广泛的应用。
通过皮秒级精度的协同，使得分布式射频系统突破性能极限。从相控阵雷达的精度扫描到量子计算的精密精密控制，从5G基站的大规模天线到射电望远镜的宇宙观测，这项技术正重塑我们连接、感知和探索世界的方式。
关键词:
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