林肯实验室前沿文献解读：可扩展的阵列技术用于融合射频应用（2）
发布时间:
2025-12
高性能雷达系统利用相控阵以将天线辐射聚焦在所需的方向上，从而最大化链路预算。传统版本的这些系统只限于不同的雷达模式，但未来设计有额外的任务，即支持其他无线应用，如通信和监视。这种单一无线资源的多用途使用被称为射频融合，并通过同频同时发射和接收（STAR）技术的整合实现。本文我们讨论在可扩展的STAR阵列能够用于融合RF应用之前需要成熟的关键研究领域。（注：本文数据及指标来源林肯实验室）
一、概述
现有的无线系统没有能力以单个设备同时支持多个功能，更具体的来说，雷达系统目前缺乏在雷达工作时与其他节点位置进行通或执行电子支援措施的能力，如图1所示。举例来说，当典型雷达或通信系统通过一个10-MHz的通道进行传输时，接收器无法在该通道附近的大约1000-MHz频带内工作，因为会产生干扰。这不仅极大地降低了频谱效率，还使接收器无法检测该频率范围内的信号，如图2(a)所示。ESM算法的失效降低了它们及时识别间歇信号的可能性，这对于某些应用，如简易爆炸装置（IED）触发器检测，可能会产生灾难性后果。
大多数现有系统将传输和接收分别放在不同的时间槽和/或频带中，这限制了它们在拥挤的频率环境中的灵活性，例如在典型的军事行动中。此外，通信中断使介质访问控制（MAC）层的设计变得复杂，并可能导致网络层的超时。此外，ESM应用程序需要根据预期的雷达或通信应用的中断情况进行定制，这为系统引入了可利用的弱点。另一种方法是通过物理隔离两个系统来减少干扰，但这对于小尺寸设备，尤其是手持应用和机载平台来说很快变得不现实。
图1：多功能阵列应用空间，突出了同时执行雷达、通信和电子支持措施（ESM）的竞争需求。
许多不同的军事系统都存在一次只能执行一个功能的限制，并且在频谱优势方面呈现出关键的弱点。相比之下，未来的平台采用同频同时发射和接收（STAR）技术（也称为带内全双工），能够同时支持多种功能（如雷达、通信、监视等），这些功能被统称为融合射频应用。单一系统的多用途使用简化了任务资源调度的需求，通常会对时间和/或频率的使用施加限制，如图2(b)所示。对于提到的雷达应用，启用STAR的解决方案将大大减少在已建立的雷达网络中交换信息时所需的雷达时间线开销，这将极大地有助于移动平台之间的协调。这是因为独特的STAR功能使它们能够使用共同的口径直接相互通信，这不仅提供了物理资源共享，还降低了与使用多个功能专用系统相比的相关设备成本。
图2：（a）当前系统雷达和通信/ESM的频率利用率与时间的关系，以及（b）具有同时发射和接收（STAR）能力的未来多功能系统的频率利用率与时间的关系。
在将多功能STAR相控阵扩大规模以实现高性能系统，包括高功率雷达之前，需要完善的重要研究领域。下部分描述了STAR阵列架构和数字处理原件的概念的测量原型结果。下来将讨论可扩展的阵列技术。
二、STAR 阵列概念
最初，STAR技术被用于低功耗应用的雷达系统，这些系统通常具有全向辐射模式和有限的范围需求，例如车辆传感器。当雷达的距离量程增加时，系统往往会采用具有定向辐射覆盖的天线来改善其严格的链路预算。通过使用相控阵系统，可以实现同时承载多个功能的能力，同时还能使用STAR技术，正如之前提到的那样。
在图3(a)中显示了一种利用全数字方法减少干扰并提供隔离的STAR-capable相控阵架构的示例。这种方法采用了发射和接收元件上的自适应波束成形，这些原件可以在同一孔径内动态重新配置。此外，一种基于唯一参考的多通道数字抵消方案是的可以恢复接近接收器噪声底噪的信号，如图3（b）所示，其中示例信号的发展跟踪了传输信号和噪声的代表功率水平相对于接收器动态范围以及感兴趣的信号。
整体上，这一方法被称为孔径水平同时发射和接收（ALSTAR），它利用全数字阵列的优势，允许进行动态可重配置的孔径，以便优化STAR操作。在这种架构中，相控阵被分为发射和接收子阵列，这些子阵列是根据给定射频应用的要求或多个功能的组合来选择的。这种可重配置的子阵列方法使系统能够执行传统的非STAR操作而不影响性能。一旦阵列被分成发射和接收部分，将利用几个处理阶段实现高水平的隔离。
下面的表格介绍了三个阶段的方法及作用：
第一阶段 |
| 自适应波束成形 |
利用发射通道的相干组合来一直耦合接收元件中的能量，同时利用阵列自由度来尽量减小方向上的增益 | ||
第二阶段 | 接收波束成形 | |
减少了发射机的接收信号和噪声成分，并帮助减小最终处理阶段的噪声贡献 | ||
第三阶段 | 剩余噪声和非线性的数字消除 | |
最大限度地抑制了剩余信号，坚强了发射通道的动态范围限制 | ||
上述表格中的多层结构产生了一种新颖的STAR阵列，该阵列在2.45GHz为中心的100MHz瞬时带宽上的测量隔离度超过了140dB。
三、可扩展阵列技术
3.1全数字化架构
在方位角和波束角扫描波束需要一种全数字、多面板平面阵列架构以在二维范围内扩展设计。采用集成的数据转换和处理方法，便可以通过RFSOC来实现高性能水平。RFSoC组件允许八个双极化天线原件直接连接到FPGA硬件，用于所需的波束赋形和信号处理，如下图所示。
图2：全数字面板式阵列概念，显示了基于RFSoC互联的元素间数据共享。
基于RFSOC的阵列架构可以设计为在阵列上直接提供可扩展的数据处理能力，这不仅使其具备其他阵列系统通常没有的功能，而且减少了对阵列外部处理的需求。所提出的基于RFSoC的处理的独特性源于数据网络架构和所创造的灵活性。由上图所示，每个RFSOC(灰色方框)可以通过高速连线与其最近的单元模块进行物理连接，以创建一个网状网络。
这些连接还可以延伸到每个阵列面板的边缘，以保持面板之间的连通性，这在展示可扩展处理解决方案时非常关键。然后，数据路由规则可以创建特定功能的数据处理链，并可以任意配置以优化特定用例，如之前提到的STAR波束形成/取消过程。由于这些连接的灵活性，可以在网络中重叠多个处理链路，这可以比传统方法更高效地进行数据处理。
3.2 STAR的T/R模块
传统的发射/接收模块并不是为STAR数据链路操作设计的，而是仅能在传输和接收功能之间进行切换，以支持时分半双工 (TDD) 系统，这正是传统脉冲雷达系统所使用的方法。然而，完全数字化的STAR阵列需要可扩展的发射/接收模块，通过提供准确的发射参考信号路径支持STAR操作。
为了最小化整体阵列体积，这些T/R模块尺寸合适地适应阵列晶格间距，通常的方法是将他们实现为集成电路。如图3所示。
图3：带有所需（绿色）和不必要（红色）耦合路径指示的STAR T/R模块架构概念。
上述图（a）孔径级别STAR（ALSTAR）相控阵结构，突出数字发射/接收波束成形和多通道抵消，图（b）每个处理阶段的信号进展示例，以及（c）在2.45GHz为中心，100MHz宽带上进行的8元线性阵列原型的140dB隔离度的测量结果。
3.3波束成形/消除算法
解决数字波束成形和抵消的几个关键挑战，一种方法是可以利用分区的机会来减少复杂性，如图6(a)所示。只对一部分阵元进行调整，并保持其他阵元固定，将显著减少处理器中自适应滤波器的数量和相关的复杂时域运算。此外，可以利用阵元耦合相关矩阵中的对称性，使用快速自适应算法来减少计算滤波器权重所需的时间，如图6(b)所示。最后，应该通过设计适用于模块化处理架构的分布式算法来研究这些方法的可扩展性。
STAR算法的实现，强调了（a）在T/R边界上使用自适应单元进行了子阵波束形成的可能性和（b）用于加速调谐的快速自适应求解器。
4 结论
未来的雷达系统将具备同时支持多种功能的能力，除了其主要的雷达操作外。这些其他模式包括信息共享和网络节点协调的通信，以及环境中更好的态势和频谱感知所需的ESM。这些融合射频应用的高性能版本将使用基于相控阵雷达的STAR技术进行设计，该技术可实现一个灵活资源的共享。
5.后记
上文可知，可扩展STAR阵列架构的关键研究领域在于：
- STAR T/R模块：适配阵列晶格间距，通过电磁建模等技术解决意外耦合的问题
- 波束成形/消除算法：通过子阵列分区、利用矩阵对成型、快速自适应算法等降低复杂度
- 全数字化架构：基于RFSOC设计，集成数据转换与处理，通过网状网络实现原件间的高速互联，支持可扩展数据处理和多功能数据链配置，减少外部处理依赖
RFSoC的异构集成特可完美匹配STAR阵列架构的核心的需求，其中的SD-FEC（软判决前向纠错）模块，也能够弥补STAR阵列信号传输中可能出现的链路损耗问题，通过纠错编码提升信号传输的可靠性。
同时STAR阵列架构的特性可让其在特定的领域应用更具优势，例如在通感一体化系统中，STAR-RIS阵列能实现360度全空间的信号覆盖，解决传统RIS仅能反射信号导致的覆盖局限问题。搭配RFSOC的大带宽处理于低时延行，可构建高效的边缘通信系统，这种组合同样适配空天地一体化网络对信号调控和远距离传输的需求。
通过灵活的硬件资源分配，RFSoC的软硬件可定制特性适配STAR阵列从少量单元到大规模阵列的扩展需求。无需大规模重构硬件，仅通过修改RFSoC的固件和算法程序即可实现，大幅降低了STAR阵列架构的迭代成本。
应对下一代STAR的发展，彼睿电子应用新的技术路线。当传统系统只限于不同的雷达模式的下，同频同同时发射和接（STAR）技术的整合实现。
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