基于射频片上系统rfsoc的小型捷变频相控阵雷达
阅读说明：本技术 基于射频片上系统rfsoc的小型捷变频相控阵雷达 (Small frequency agility phased array radar based on Radio Frequency System On Chip (RFSOC) ) 是由 肖国尧 吴彬彬 全英汇 邢孟道 别博文 冯伟 柯华锋 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于射频片上系统RFSOC的小型捷变频相控阵雷达,主要解决现有雷达体积大、带宽小、发射波形有限的问题。其包含程序加载单元、缓存单元、光通信单元、时钟单元、射频片上系统RFSOC、八个巴伦、四个射频前端模块和四个天线子阵列。RFSOC通过不同的接口分别与程序加载单元、缓存单元、光通信单元、时钟单元、巴伦、射频前端模块连接；每个射频前端模块通过模拟差分接口与一个发射通道的巴伦和一个接收通道的巴伦连接,通过模拟差分接口与时钟单元连接,通过SMP射频接插件与对应的一个天线子阵列连接。本发明减少了雷达体积,提高了信号带宽,并能灵活产生捷变频雷达信号,可用于机载和星载平台上的雷达系统。(The invention discloses a small-sized frequency agile phased array radar based on a Radio Frequency System On Chip (RFSOC), which mainly solves the problems of large volume, small bandwidth and limited transmitting waveform of the conventional radar. The system comprises a program loading unit, a cache unit, an optical communication unit, a clock unit, a Radio Frequency System On Chip (RFSOC), eight baluns, four radio frequency front-end modules and four antenna sub-arrays. The RFSOC is respectively connected with the program loading unit, the cache unit, the optical communication unit, the clock unit, the balun and the radio frequency front end module through different interfaces; each radio frequency front end module is connected with the balun of one transmitting channel and the balun of one receiving channel through an analog differential interface, connected with the clock unit through the analog differential interface and connected with a corresponding antenna sub-array through the SMP radio frequency connector. The invention reduces the volume of the radar, improves the signal bandwidth, can flexibly generate frequency agile radar signals, and can be used for radar systems on airborne and spaceborne platforms.)
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，具体是一种捷变频相控阵雷达装置，可用于机载和星载平台上的雷达系统。
背景技术
相控阵雷达通过改变天线阵列各个天线单元收发信号的相位与幅度，进行发射波束和接收波束的快速指向，因而相控阵雷达具有扫描速度快、多目标追踪能力和抗干扰能力强的优势。而捷变频技术通过发射信号脉间载波频率的捷变，使敌方难以截获雷达信号，同样能显著提高抗干扰能力。
目前，常用的相控阵雷达装置多为基于高速数模转换器DAC或者直接频率合成器DDS的数字中频架构。再由发射接收T/R组件内的混频器实现中频至射频的上下变频，由T/R组件内的移相器和衰减器实现波束控制。这种相控阵雷达装置存在如下弊端：
一、体积较大，需要外接多个高速数模转换器DAC或者直接频率合成器DDS，增加了元器件数量，造成系统的体积较大。
二、信号带宽较小，受数字接口的速率影响，高速数模转换器DAC和高速模数转换器ADC的采样率不够高，中频带宽受限。
三、难以实现脉间相参的快速频率捷变波形，由于中频带宽受限，在中频难以实现较大范围的频率捷变，若在射频部分实现频率捷变，将极大增加系统复杂度。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于RFSOC的小型捷变频相控阵雷达装置，以减少系统体积、增加信号带宽，并能灵活产生多种脉间相参的快速频率捷变波形。
为实现上述目的，本发明基于射频片上系统RFSOC的小型捷变频相控阵雷达装置，包含程序加载单元、缓存单元、光通信单元和时钟单元，其特征在于，还包括射频片上系统RFSOC、八个巴伦、四个射频前端模块和四个天线子阵列；
所述射频片上系统RFSOC，其通过CFI接口与程序加载单元双向连接，通过DDR4接口与缓存单元双向连接，通过IIC接口和GTH接口与光通信单元双向连接，通过模拟差分线路与时钟单元单向连接，通过模拟差分线路与每个巴伦单向连接，通过SPI接口与每个射频前端模块双向连接；
所述每个射频前端模块，其分别通过模拟差分接口与一个发射通道的巴伦和一个接收通道的巴伦单向连接，通过模拟差分线路与时钟单元单向连接，通过SMP射频接插件与对应的一个天线子阵列连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
第一，体积小：本发明无需外接模数装换器ADC、数模转换器DAC或直接频率合成器DDS，极大地减少了器件数量，有利于小型化设计。
第二，信号带宽大：本发明由于使用集成有千兆数据转换器的射频片上系统RFSOC，极大的提高了采样率和带宽，且扩大了中频信号频率捷变范围。
第三，灵活性高：本发明使用的射频片上系统RFSOC上集成有数字下变频DDC单元和数字上变频DUC单元，能灵活快速地产生和处理多种相参的雷达信号。
第四，通道利用率高：本发明通过射频前端的功分网络实现数字中频通道的扩展，再由软件控制的衰减器和移相器实现每个天线单元的波形控制，极大地提高了数字中频通道的利用率。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图；
图2为本发明中的射频前端模块结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：
参照图1，本发明基于射频片上系统RFSOC的小型捷变频相控阵雷达装置，包含程序加载单元1、缓存单元2、光通信单元3、时钟单元4、射频片上系统RFSOC 5、八个巴伦6、四个射频前端模块7和四个天线子阵列8，其中：
所述程序加载单元1，用于存储射频片上系统RFSOC 5的固化程序，本实例采用但不限于镁光Micron公司的MT25QU01GBBB8E12型号的Flash加载芯片。
所述缓存单元2，用于存储射频片上系统RFSOC 5在波形数据、中间变量和数字波束形成权值，本实例采用但不限于4片镁光Micron公司的MT40A512M16JY-075E型号，每个芯片具有512M的容量大小，4个芯片共组成容量为1G的SDRAM缓存单元。
所述光通信单元3，用于高速数字电信号与光信号的互相转换，实现光纤信道的数据传输，本实例采用但不限于中航光电公司的HTG8503-MH-T001YY型号，该型号是一款高性能12路并行光收发一体模块，光信道的中心波长为850nm，单路传输速率为10.3125Gbps。光通信单元4通过IIC接口与射频片上系统RFSOC 5连接并实现初始化配置，通过Aurora接口与射频片上系统RFSOC 5连接并实现数据收发。
所述时钟单元4，用于产生射频片上系统RFSOC 5的数模转换器DAC采样时钟、射频片上系统RFSOC 5的模数转换器ADC采样时钟、射频片上系统RFSOC 5的基带时钟和射频前端模块7的混频本振时钟，上述每个时钟都必须同源。
所述射频片上系统RFSOC 5，用于数字信号处理、中频信号产生和中频信号接收，本实例采用但不限于赛灵思Xilinx公司的XCZU43DR-2FFVG1517I型号芯片。其芯片内集成了四个14位精度的数模转换器DAC和四个14位精度的模数装换器ADC，并集成了数字上变频DUC单元和数字下变频DDC单元，每个数模转换器DAC具有10GSPS的采样率和6GHz的模拟带宽，每个模数转换器ADC具有5GSPS的采样率和6GHz的模拟带宽。其外设的数字接口包括公共闪存CFI接口、双倍速率DDR4接口、集成电路总线IIC接口、和串行外设SPI接口和模拟差分接口。射频片上系统RFSOC 5通过CFI接口与程序加载单元1双向连接，通过DDR4接口与缓存单元2双向连接，通过IIC接口和GTH接口与光通信单元3双向连接，通过模拟差分接口与时钟单元4单向连接，通过模拟差分接口与每个巴伦6单向连接，通过SPI接口与每个射频前端模块7双向连接；
所述八个巴伦6，用于将中频信号的发射通道和接收通道的差分模拟信号转换成单端模拟信号，每个巴伦6是一种由磁环和电缆组成的平衡-不平衡变压器，本实例采用但不限于Mini-Circuits公司的TCM1-83X+型号，该型号巴伦6的工作频率范围在10MHz至8GHz之间，特性阻抗为50欧姆。在发射通道中，射频片上系统RFSOC 5的数模转换器DAC输出差分模拟信号，经过巴伦6之后变成单端模拟信号，再发送到射频前端模块7的发射通道输入端；在接收通道中，射频前端模块7的接收通道输出端产生单端模拟信号，经过巴伦6之后变成差分模拟信号，再发送到射频片上系统RFSOC 5的模数转换器ADC中。
所述四个射频前端模块7，其结构相同，均用于信号放大与波束合成。
参照图2，每个射频前端模块7都包含1个一分十六的功分网络、16个上变频器、16个下变频器、16个低通滤波器、16个带通滤波器、32个衰减器、32个移相器、16个功率放大器、16个低噪声放大器和33个射频开关，其工作模式分为发射模式和接收模式，通过切换射频开关来实现工作模式的转换。在发射模式下，信号从发射通道输入端进入功分网络，产生16个等幅等相的信号，再分别依次实现上变频、低通滤波、衰减、移相和功率放大，最后输出16个发射信号；在接收模式下，信号分别从16个天线端口进入，再分别实现低噪声放大、移相、衰减、下变频和带通滤波，最后将该16个信号在功分网络中进行相加，合成1路信号并输出。每个射频前端模块7分别通过模拟差分接口与一个发射通道的巴伦6和一个接收通道的巴伦6单向连接，通过模拟差分接口与时钟单元4单向连接，通过SMP射频接插件与对应的一个天线子阵列8连接。
所述四个天线子阵列8，其结构相同，均是4×4的二维天线单元阵列，分别对应四个射频前端模块7。
本发明的工作原理如下：
发射雷达波形：射频片上系统RFSOC 5接收来自光通信单元3发来的基带数据，经过一系列处理之后生成四路基带数字信号，并通过数字上变频单元DUC变成数字中频信号，再由数模转换器DAC转换成差分模拟中频信号，通过射频片上系统RFSOC 5引脚输出；差分模拟中频信号经过巴伦6转换成单端模拟中频信号，再发送至射频前端模块7的发射通道输入端；射频片上系统RFSOC 5通过SPI接口将四个射频前端模块7切换到发射模式，并根据计算出的数字波束形成权值来控制每个射频前端模块7的移相器和衰减器数值；每个单端模拟中频信号在射频前端模块7中经过功分网络，产生十六个等幅等相的信号，分别再依次经过上变频、低通滤波、衰减、移相和功率放大，最后输出十六个发射信号；最后通过SMP接口输出到各个天线子阵列8，并发射到空间中形成发射波束。
接收雷达波形：四个天线子阵列8接收来自空间中的电磁波，并转换成电流形式的接收射频模拟信号；射频片上系统RFSOC 5通过SPI接口将四个射频前端模块7切换到接收模式，并根据计算出的数字波束形成权值来控制每个射频前端模块7的移相器和衰减器数值；接收射频模拟信号通过SMP接口发送到对应的射频前端模块7，在射频前端模块7中依次经过低噪声放大、移相、衰减、下变频、带通滤波和十六路信号相加；然后经过巴伦6将单端模拟信号转换成差分模拟信号，并输入到射频片上系统RFSOC 5的模数转换器ADC转换成数字信号；最后射频片上系统RFSOC 5根据这些数字信号实现数字下变频DDC、波束方向估计和接收波束合成。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。