前言相控陣系統可以直接支持集成感知和通信（ISAC）以及其他功能，同時還能整合入帶內全雙工（IBFD）技術。已經證明，數字控制的自互干消除技術可以在一個單一孔徑內為有限數量的原件之間創建發射和接收子陣的隔離。注：本文數據及技術來源自林肯實驗室一、簡介

相控陣的使用通過波束形成和波束指向技術，可以將輻射聚焦在所需的空間方向上。這為系統在發送和接收方面提供了更高的天線增益，可以改善鏈路效果。當將帶內全雙工（IBFD）技術應用于陣列中時，它們可以同時支持多種應用，包括提供集成感知和通信（ISAC）能力。

IBFD也被稱為同時發射和接收（STAR），代表著一種新興的技術，打破了傳統的頻譜共享范例，允許設備在同一頻率上同時進行發射和接收。只有在設備的發送信號被抑制到或低于設備接收器的噪聲水平時，才能實現該功能，這被稱為自干擾消除。對于相控陣和其他定向/全向IBFD系統，可以通過跨給定收發器架構的傳播、模擬和數字領域使用多種技術來獲得足夠的SIC 。

對于只有一個天線孔徑的陣列，這些SIC方法的組合可以使得IBFD操作在孔徑級別或單元級別下實現。盡管后者可以同時實現發射和接收的孔徑完全利用，但每個獨立元件上需要高強度的SIC，這往往會嚴重影響陣列的輸出功率和噪聲指數

圖1：具有(a)發射和接收子陣列和(b)根據雷達和通信功能進一步劃分的專用發射子陣列的孔徑級IBFD陣列示例。

二、陣列操作

圖2：孔徑級別的IBFD概念，突出了三種不同的SIC技術：自適應發射和接收數字波束形成以及基于參考的數字抵消。

圖2顯示了孔徑級IBFD陣列的操作概念。該圖示出左側兩個發射元件和右側兩個接收元件，但可按照任意陣列大小或維度進行調整。當發射器處于活動狀態時，部分發射信號泄漏到附近的接收元件中，引起自干擾（SI），并且在適中的輸出功率下會導致接收器飽和。為了避免飽和，對于這個孔徑級架構，可以采用三種不同的自干擾消除（SIC）技術之一：自適應發射波束成形。這個數字處理過程涉及對獨立發射通道的數據樣本進行加權，以使陣列上的接收元件方向出現近場零點。經過優化，這一步驟的效果是保持期望的遠場輻射同時減小發射信號的強度，以便可以在每個接收元件上進行線性處理和數字化。

三、陣列系統

陣列概念其局限性在于小規模的原型無法輕松增加元件數量。之前已經確定了三項核心技術以推進這些陣列的可擴展性：全數字設計，發射/接收（T/R）模塊和波束成形/抵消算法。這些部分可以通過可擴展的面板式架構進行整合，如圖3所示的爆炸視圖。

圖3：可擴展陣列板的爆炸視圖，突出顯示孔徑板和背板PCB組件以及它們之間的熱管理冷板。

圖示了主要組件，即帶有附加在背面的T/R模塊（照片中不可見）的孔徑板（）組件，以及包含直流電源調節和射頻SoC（RFSoC）集成數據轉換器和信號處理器的背板組件。在這兩個之間，有一個非常重要的冷板，作為熱管理解決方案，將熱量從孔徑和背板上的部件散發出去。以下對陣列系統的各個部分進行詳細解讀：

3.1孔徑組件

孔徑組件負責將陣列電子設備與周圍環境進行接口連接：發送傳輸信號并接收數據。為此，它由輻射單元組成，這些單元按照8x8的方形網格排列，總共有64個單元。這些單元采用雙極化疊層芯片結構設計，如圖4頂部所示。

雙極化天線輻射元件的電磁模型，說明其如何適配到一個8x8陣列中，以及T/R模塊如何安裝在網格間距內。

3.2冷板為了支持ISAC項目，與傳統的僅使用雷達的應用相比（其中發射器的工作時間僅占總時間的約10%），可能需要讓陣列硬件以更高的工作占空比運行。增加發射工作占空比會增加總體穩態熱負荷，因為熱產生的時間增加。這需要對陣列上的熱散射進行仔細分析，以確保所有部件都不超過其最高結溫并避免損壞。為此，研究并設計了一個冷板，可用于不同的熱情景下對陣列組件進行冷卻。

圖6：熱模型顯示傳輸元件賦值情況下的陣列溫度差異，單位為攝氏度（a）僅在左半部分和（b）整個面板上。

圖7：利用液體在垂直通道中流動來從面板中提取熱量的冷板的機械模型（16個矩形切口用于連接孔與背板）。

3.3背板

陣列面板堆疊的最后一個關鍵部件是背板PCB，它負責控制子陣列分區及其相關功能。背板利用了八個RFSoC部件，它們與最近的鄰居相連，如圖8所示[16]。為了此設計選擇的RFSoC版本具有16個信道，每個信道都有一個模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC），在一個單一封裝中集成了32個數據轉換器。

圖9顯示了兩個面板的旁邊連接，表明高速數據接口不僅連接了面板上的RFSoCs，還連接了面板之間的RFSoCs。這種架構創建了一個可擴展的數字網狀網絡，由多個處理節點（即RFSoCs）組成，并且可以同時并行處理不同的計算線程。該概念在圖的下部進行了說明，例如，在將兩個數據流最初在板上處理成指向不同方向的陣列波束之前，將其發送到計算機進行進一步分析。這種并行的板上處理能力在ISAC應用中非常有用，特別是當陣列如圖1b所示進行分區并且需要同時計算多個功能的數據時。

圖8：背板電路板組裝，突出顯示每個RFSoC與陣列上的8個單元之間的連接以及它們之間的互連關系。

圖9：兩個背板面板的互連，顯示了可擴展的面板間連接性和并行板上處理能力。4.結論

孔徑級IBFD相控陣可通過數字SIC技術的組合實現發送和接收區之間的隔離。這些相控陣和相關的SIC處理方法可以被設計成可伸縮的，可以創建任意規模的陣列。此可伸縮性的關鍵在于陣列系統的構造，這在面板式架構中已經討論過?？讖胶捅嘲錚CB組件以及冷板熱管理解決方案被強調為可伸縮方法的關鍵組成部分，可在2.7至范圍內運行。未來的工作包括制作多個陣列面板原型以驗證其功能，并同時展示不同的應用，例如ISAC。

結語

與八個陣列單元進行接口，以支持先前描述的雙極化輻射器的全部16個信道。除了提供數據轉換功能之外，RFSoC還提供了陣列上的信號處理能力。這個功能可以用于通過下采樣減少從面板提供的原始數據量，和/或計算特定應用的度量，比如雷達或通信檢測。

目前RFSoC單芯片（Zynq UltraScale+XCZU49DR）可支持單板16通道ADC(14-bit、2.5Gsps)ports、16通道DAC（14-bit、9.85Gsps）ports。西安彼睿電子科技提供這樣一種方案：通過demo工程演示如何配置并執導各個高速采樣子板執行通道間多瓦片同步（MTS），以獲得每次上電后穩定的通道間采樣相位差。RFSoC多板同步技術通過硬件與軟件協同，實現多塊射頻片上系統板卡間的時鐘相位對齊和觸發同步，確保各板卡ADC/DAC在皮秒級精度內協同工作。這項技術解決了分布式射頻系統中"時序不宜正"等多項挑戰，是現代高精度射頻應用的基礎設施。

上述兩幅圖展示了單板搭載一顆（XCZU49DR）IC后，通過多板同步技術及時鐘板（單塊時鐘板最高可同步7塊信號處理板卡），此時系統就可擴展為32/64/128/256通道，且可保證每個通道間達到PS級同步。這種方案在雷達信號處理、電子戰及通信監測中得到了廣泛的應用。

通過皮秒級精度的協同，使得分布式射頻系統突破性能極限。從相控陣雷達的精度掃描到量子計算的精密精密控制，從5G基站的大規模天線到射電望遠鏡的宇宙觀測，這項技術正重塑我們連接、感知和探索世界的方式。

審核編輯 黃宇