林肯实验室文献解读：RFSoC在下一代全数字相控阵的发展贡献（3）
发布时间:
2025-12
前言 美国国家气象局运营着一个由150个双极化多普勒天气雷达组成的网络，用于探测和预报危险天气，并进行定量降水估算。双偏振相控阵雷达（PPAR）支持多种方法来显著增加体积采样率，进而位为危险天气预警和降水估算提供勒显著的好处。双偏振相控阵雷达的敏捷电子波束还可以根据操作兴趣增加数据质量及覆盖范围，提高自适应调整最低仰角波束的形状来改善对地杂波的抑制，并消除扫面引起的波束带宽。
1 介绍
图1. ATD雷达位于俄克拉荷马州诺曼镇。ATD是一种4米、5000单元、双极化的S波段雷达。雷达孔径由76个64单元面板组成。
上图雷达的面板设计充分利用了Gen3 ATD面板的外形因素及功能拓扑。
图2. ATD 使用的64单元 Gen3 面板的爆炸视图和照片。面板采用基于GaAs的T/R 模块，每极化方向辐射功率为6瓦。
该面板通过从孔径和后平板PCB以及机械结构产生的通道中强制空气冷却。
本文描述我们开发PPAR的基本构建，它是一个8×8单元、双极化、相控阵面板，其可扩展的数字辐射单元架构可支持为买NMS气象雷达的需求。
2 运营概念
PPAR能够快速灵活地进行扫描是实现预期运营的关键。这些能力可以彻底改变气象雷达对预警和预报的贡献。每分钟一次的地面到风暴顶部观测、针对特定重要区域的观测，以及关键对风暴演变至关重要的长驻留时间对环境测量都有助于提高预警提前时间和准确性。
一个全数字的PPAR架构最佳地支持这些能力。这种架构可以同时形成活动的接收波束，结合适当的脉冲传输策略，可以将扫描时间减少到接收波束数量的波束。
PPAR设计提供了支持这些扫描概念所需的高平均传输功率。传输功率必须与同时波束的数量成比例增加，以保持灵敏度。
3 系统级概述
PPAR面板由两块电路板组成，即射频孔径板和数字背板（图3所示）。通过将所有必要的辐射单元集成到到两块电路板上，降低了整体电路板数量，从而降低了面板的成本。
射频孔径PCB包含了驱动一系列到频段的8*8、5厘米间隔的堆叠式贴片天线所需的所有射频组件。每个堆叠贴片天线都具有双极化功能，每个面板可提供128个射频通道驱动每个天线通道的是一种收发（T/R）模块，其中包括一个收发开关、高功率放大器、低噪声放大器和带通滤波器（参见第IV节）。T/R模块通过一系列与背板PCB相连接的连接器进行数字控制。此外，这些连接器还包含孔径PCB的所有射频信号的输入和输出。
后端电路板（PCB）包含了单个面板的所有功率、控制逻辑和信号处理，使得面板可以独立运行。每个DPPAR面板上有八个相同的系统级封装（SiP），称为开放式RFSoC混合组件（ORCHA），它们组成了每个面板上的核心数字化和处理系统。ORCHA是麻省理工学院林肯实验室（MIT LL）和柯林斯航空公司之间的合作产物，它们是高度集成的模块，包括Xilinx RFSoC以及所有必要的组件，如存储器、电源和时钟分发网络，以确保正常运行。每个ORCHA控制一个面板上的8个双极化辐射单元，每个ORCHA共有16个模数转换器（ADC）通道和16个数模转换器（DAC）通道。
图3：面板模板图解
将电源和必要信号（如分布式时钟和复位信号）通过广泛应用于阵列中所有面板的分布式信号捆绑（DSB）传送。这位所有面板之间提供了一个共同的参考，实现了整个阵列中射频信号的同步。
开发全数字式相控阵的一个主要挑战是需要为阵列中的所有ADC和DAC保持稳定的（抖动/漂移）和精确的（亚采样）参考时钟。阵列中采样精度较差可能导致从波束破坏到整个阵列故障的各种问题。在单元级别上，使用xilnx（MTS）同步。
MTS提供了在多个RFSoC之间实现同步的能力，但是必须在整个PRCHA阵列中提供分布式时钟分发网络。这个分发网络包括一个参考时钟和类似于JESD204B同步信号的SYSREF信号。对于DPPAR，这个信号被称为'Sync',如图3所示。在每个面板上，两个信号通过DSB到达，并通过长度匹配的电路板导线分给每个ORCHA。
稳定系统的另一个重要因素是温度。为了将由于温度引起的相位变得控制在可接收范围内，系统必须在整个阵列中维持一个温度梯度小于5℃的特梯度。实现这一线需要每各面板都使用基于系统的详细热模型（见图4）的定制冷板进行冷却，并且可以是常见的商业加工技术和材料进行制造，以尽量降低成本。冷板同时还起到了创建高速数组组件的电磁屏蔽的额外目的。
如图所示，冷板上集成了一个大的凹槽，围绕背板PCB进行了整合。结合盖子和垫圈，背板完全包裹在金属中。通过这种方式，可以减轻数字系统对射频响应保真度的电磁干扰。
图4：面板冷板连接到孔径
4 射频系统
单个通道的射频链路的方框图如图5所示。信号处理和数字模拟域之前的转换在背板PCB上执行。射频模拟信号经过背板上少量的放大和滤波处理，然后通过低成本和高密度的射频连接器路由到孔径PCB上。在孔径PCB上，信号通过T/R模块进一步调节和放大。信号通过嵌入在孔径PCB的辐射侧的堆叠贴片天线与自由空间之间进行辐射和接收。
T/R模块射频系统链中最重要的组件之一，负责进行高功率发射放大、低噪声接收放大，并将发送和接收信号通过公用的天线端口进行双工。
图5：射频链路框图
高功率射频放大器采用氮化镓（GaN）器件，而模块中的其他功能则采用几种不同的技术实现。低噪声和驱动级射频放大器采用砷化镓（GaAs）集成电路（MMICs）。选择GaAs技术而不是GaN、SiGe或其他材料，是因为它在噪声系数、线性度和功率效率方面为这些功能所需的适度射频功率提供了最佳性价比。
图6 T/R模块组件，尺寸为1.2*0.6英寸（左）。测试装置，安装了两个模块以便进行测试准备（右图）。模块在Y方向上的中心间距为1.00英寸。
图7. 测量接收模式小信号增益和两个T/R模块的交叉通道响应（左侧）
该设备在接收模式下实现了接近40dB的小信号增益，并在发送模式下实现了45dBm(约30w)的饱和输出功率。在接收模式下，测试装置上的两个模块之间表现了50至60dB的通道之间的隔离，这满足了天气监测任务对于偏振之间的约50dB隔离的要求。
这个双面DPPAR构建被认为是一种技术示范器，它综合运用了高功率GaN和单元级数字化，作为取代当前150个网络雷达的基础。全数字化的方法设计用于满足业务上所需的1度波束全数字工程开发系统可用于演示各种不同的方法，以满足下一代天气雷达网络的各种要求，并为探索与在不同潜在候选天线架构相关的利益和挑战提供基础。
5 后语
本期小编推荐标准3/6U VPX架构板卡。
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关键词:
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