傳統的射頻收發器采用的是外差式結構（圖1）。發射（Tx）或接收（Rx）的模擬射頻（RF）信號通過帶有本地振蕩器（LO）的混頻器（Tx為上變頻，Rx為下變頻）由DAC（數模轉換器）輸出或由ADC（模數轉換器）進行數字化。Tx和Rx信號并不直接到RF，它們被稱為中頻（IF）信號。中頻信號（Tx或Rx）是RF和LO信號的和或差（RF=IF+LO或IF=RF-LO）。

外差結構一般是為單一頻段和單一業務設計的。外差結構的優點是成本低、方案成熟、有豐富的窄帶組件可選并支持硬件可切換的重新配置。缺點是受硬件限制，只支持單頻段（窄）和單業務，并且只能用于順序采樣/操作。

另一類微波RF收發器使用零差直接RF結構（圖1）。5直接RF無需混頻（或上/下變頻），它直接在所需的合適RF頻段中處理Tx和Rx信號。直接RF可用天線與DAC/Tx或ADC/Rx之間的一條線表示。

圖2顯示了硬件和軟件的進步所帶來的從外差式到零差式收發器的發展。隨著技術的發展，硬件的處理帶寬越來越大，加上軟件的發展，收發器的模擬硬件越來越少，最后收發器變為軟件定義的無線電。

Teledyne e2v現在可提供一種直接RF同步采樣多頻段/多業務收發器方案，用于高達Ka頻段的轉換。1這種單鏈收發器可以同時（而不是按順序）在L到Ka頻段轉換，可用于多業務操作。這種直接RF轉換方法要求Tx/Rx模塊盡可能地靠近天線，并需要相關的數字頻率轉換、波束轉向、調制和解調功能的電路。

這個方案無需上/下變頻，可實現最佳的噪聲和頻率特性。由于無需合路器/分路器，插損也減少了。對于頻率規劃，一旦硬件實現固定（如數據轉換器和濾波器），系統中唯一的設計變量（除軟件重新配置外）是采樣時鐘頻率。這是一個使用AI技術的完全由軟件定義的系統，支持連續動態軟件重配置。

收發器的應用和實現

微波收發器在同一模塊中包括Tx和Rx功能。收發器可以在半雙工或全雙工模式下工作。半雙工意味著Tx和Rx功能必須在時間上交替進行，而全雙工允許系統同時發送和接收數據。

圖3顯示了在不同RF頻段工作的各種衛星應用。3傳統的收發器是針對特定應用和特定RF頻段設計的獨立系統。這導致需對每個頻段和每項業務進行投資（對于圖3，這可能需要19個單獨的投資和開發/部署）。為了最大限度地發揮功能（多頻段和多業務）并最大限度地降低開發成本，可使用可切換的收發器通道依次切換模擬和數字通道功能，但切換時有延遲。

當今的直接RF收發器是為每個業務的多頻段性能設計的（圖4）。不幸的是，取決于可用的ADC和DAC，多頻段操作可能會受到限制，如L和C或X和Ku頻段。多業務操作是否能完全實現，一般取決于數字調制器/解調器的處理和計算速度。數字數據路由也可能是一個重要的限制因素。

這種新的直接RF同步采樣多頻段/多業務收發器可同時管理多種業務的波形，如圖4所示。它同時（而不是按順序）處理多個頻段（L到Ka頻段）以及多種業務。這是通過使用混合信號系統級封裝（MiXiP SiP）技術，將Teledyne e2v的Ka頻段ADC和DAC與AMD Xilinx的先進的7納米FPGA（現場可編程門陣列）XQRVC1902數字引擎封裝在一起而實現的。

一個多頻段/多業務的微波收發器，除了需要超高性能的元器件外，還需要尖端的封裝和互連技術，以最小化模擬和數字干擾的方式來劃分系統。2圖5展示了幾種收發器的分區技術：1）普通的多芯片模塊，其數據集中在FPGA周圍，最大限度地減少了數字路由；2）SoC（片上系統）；3）用數字光纖互連的SiP，將ADC和DAC放在天線附近，同時將數字功能與模擬隔開。

技術1已經使用了幾十年，但需要對ADC和DAC的模擬信號進行復雜的路由。隨著系統頻率的提高，模擬信號的路由會變成一個大問題。

技術2使用SoC，這需要使用單片工藝技術，并且器件的幾何形狀必須滿足收發器所需的微波模擬和數字功能的需求。這項方案難度很大，成本很高，并且需要相當長的開發時間。

技術3結合了技術1和2的優點，但需要光學數據鏈路驅動能力，Teledyne e2v不提供這種技術。它特別適合使用連接到獨立天線的獨立發射器和接收器。

直接RF同步采樣多頻段/多業務收發器的架構

圖6是軟件定義的直接RF同步采樣收發器的框圖，該收發器封裝在一個封閉的收發天線模塊（TAM）中，直接連接到L到Ka頻段的天線。TAM的核心是Tx/Rx MiXiP SiP，它包含Teledyne e2v的EV12DD700（DAC）、兩個EV10AS940（ADC）和AMD Xilinx的XQRVC1902 7nm FPGA數字引擎。TAM還包括輔助元器件，如低通濾波器（LPF）、帶通濾波器/多帶通（n）濾波器（BPFn）、低噪聲放大器（LNA）、高功率放大器（HPA）和環行器。1,2,5

TAM的封裝和分區取決于所需的業務頻段、功率傳輸水平、物理尺寸和每個輔助部件的熱要求。例如，將MiXiP SiP、LNA、LPF和BPFn放在一塊PCB上，直接與HPA和環行器相連，再依次與天線相連，這可能是最佳的方案。

這種TAM使用L到Ka頻段的MiXiP SiP核心，優點是系統不再受硬件限制。由于MiXiP SiP的DAC、ADC和FPGA能夠工作到Ka頻段，而且系統被包含在一個SiP封裝中，開發人員只需從大量可選的輔助器件中選擇滿足系統性能要求的器件即可。

一旦選定了輔助器件，TAM就變成了完全由軟件定義的（動態軟件重配置）系統，具有同步采樣、切換和無縫連接的功能。一旦確定了TAM的硬件實現方案，系統中唯一的設計變量（除了軟件重新配置）是采樣時鐘頻率。TAM的同步采樣多頻段和多業務操作能力為用戶提供了更大的系統級靈活性，并支持獨立的本地/地面/空間EM基礎設施和自動切換。這也使其他功能得以實現，如系統監控、加密操作和避免天線阻塞。3

發射器DAC

EV12DD700是一款支持Ka頻段的耐輻射、雙電流舵12位DAC，其采樣率高達12GSps。它可以合成頻率超過21GHz的信號，而不需要上變頻（圖7）。它還嵌入了數字功能，如插值、數字上變頻、直接數字合成、啁啾、波束賦形、波束跳動和超快速跳頻。1,2,8

sinc(x)=sin(x)/x的DAC輸出響應可以通過反正弦函數（A-SINC）進行補償。除了經典的非歸零輸出模式（NRZ）外，DAC核心還支持嵌入式RF模式和2RF模式，并要求時鐘的速度是其他模式的兩倍。這些輸出模式使DAC能夠直接合成超過21GHz的頻率，而不需要外部上變頻器，從而支持Ka頻段的操作。

圖8展示了同時使用L和C頻段（DAC通道A（NRZ模式））以及X和Ku頻段（DAC通道B（RF模式））輸出信號時器件的頻譜輸出。

接收器ADC

EV10AS940是一款10位Ka頻段單通道ADC，采樣率高達12.8GSps。它具有數字下變頻（DDC）和跳頻（FH）功能，并通過集成多個數字控制振蕩器實現了多個數字通道，并包含其他的廣泛的數字功能（圖9）。

它的高模擬輸入帶寬（35 GHz）使其成為Ka頻段直接RF架構的最佳選擇，且無需使用任何集成的專用混頻器。它的功耗只有2.5W。它還包含11條ESIstream串行鏈路，這些鏈路與采樣時鐘同步運行，以實現確定性的數據傳輸。

DDC功能支持多種抽取率，最多有四個獨立的NCO，以支持多頻段操作中的跳頻。由于每個NCO上有多個相位累加器，專用跳變觸發I/O也是確定的，因此可實現相干的跳頻。數字整數和小數延遲可實現相控陣應用中的波束賦形。

其他功能包括背景和溫度校準、溫度監測、具有2至1024的抽取率的DDC、4個DDC通道、專用的FH I/O、具有歸零功能的確定性FH、連續和相干模式、ESIstream 62/64b、高速串行鏈路（HSSL）到達選擇和HSSL阻抗控制（2×50Ω±20%）。

表1是無雜散動態范圍（SFDR），表2是噪聲功率比（NPR），這些參數有助于評估ADC的多頻段/多頻率的性能。

Tx/Rx MiXiP SiP

圖10展示了TAM的Tx/Rx MiXiP SiP核心，其中包含EV12DD700、2個EV10AS940和XQRVC1902。完整的MiXiP SiP收發器具有63×50毫米的緊湊外形尺寸，SiP球矩陣為52×47毫米。SiP（基板專利申請中）使用已知可靠性的耐輻射DAC和ADC進行預構建。

ADC也有單端輸入，這對于選擇LNA驅動器非常有幫助，并且無需使用任何變壓器/巴倫。MiXiP將XQRVC1902放置在DAC和ADC旁邊，從而最大限度地減少數字路由，降低干擾。

AMD Xilinx VC1902（7納米）基于Versal的AI內核和自適應計算加速平臺（ACAP）AI推理引擎。VersalAI內核提供突破性的AI推理，其性能比服務器級CPU高出100倍以上。

Versal ACAP是一個綜合的SoC，它將CPU、DSP、I/O和RAM控制與可編程的硬件邏輯結合在一起。XQRVC1902使Tx/Rx MiXiP SiP支持動態頻率規劃，具有軟件可控性、靈活性，并支持多頻段、多業務和跨頻段（在多個頻段接收，同時在其他頻段發射）的功能。

TAM輔助部件

為了使軟件定義的直接RF同步采樣多頻段/多業務收發器可在L到Ka頻段運行，每個系統組件都是關鍵的因素。除了使用具有Ka頻段能力的Tx/Rx MiXiP外，還必須從同步采樣多頻段性能的角度評估和理解其他每個系統組件。6,7

例如，6個同步的Tx/Rx RF頻段/頻率將由天線、HPA、LNA、濾波器和環行器處理。傳統上，這些組件是通過變化的單頻和/或雙頻測試來評估的。然而，現在需要的是對每個組件進行多頻段性能評估的方法。

這就是NPR測試的有用之處。NPR測試通常反映了一個多頻段系統中的一個特定頻段的“安靜性”。其他頻段的噪聲和互調失真結果會落入一個特定的頻段。因此，NPR測試有助于評估輔助部件的多頻段/多頻性能。選擇TAM輔助部件的一些考慮因素是：

天線和工作頻率/極化

如果所有的Tx和Rx信號都在同一平面，則使用線性極化天線；如果不是，則使用圓形極化天線。寬帶（圓形極化）天線一般由國防/衛星通信供應商和少數商業供應商提供。

寬帶天線設計需要在天線增益、天線尺寸、多波束能力、波束賦形/整形和轉向性之間進行權衡。請注意，Ka頻段的帶寬比低頻段大4倍，因此使用多個聚焦點波束進行頻率重用操作，可以在同一頻率上同時進行不同信號的Tx/Rx。4

Ka頻段容易受到惡劣天氣的影響，因此需要交替或附加頻段來實現無縫操作。它有更多的軌道槽（orbital slot），可以較小的可轉向波束實現高容量/密度。Ka頻段的靈活性很高，可在較小的終端上使用較高的數據率，并采用了比其他頻段更小的天線尺寸（大約1/4的大小）。

HPA

HPA將低功率的RF信號（來自DAC）轉換為驅動發射天線的高功率信號。要求的指標包括增益、功率輸出、輸出驅動配置（如A類、AB類）、帶寬、效率、線性度（額定輸出時的低信號壓縮）、輸入/輸出阻抗匹配和散熱。每個HPA組件都必須從多頻段同步采樣性能的角度進行評估和理解（如前所述）。

LNA

LNA轉換和放大來自天線的功率非常低的RF信號，不顯著降低信噪比，并驅動接收器ADC。RFLNA必須噪聲低、增益高并有足夠大的互調壓縮點（IP3和P1db）。RFLNA必須有功率限制器的保護，以便從雙工切換期間（從Tx到Rx的轉換）可能出現的大輸入信號瞬態中恢復。

環行器/開關（雙工器）

RF雙工器通過單一路徑實現雙向信號傳輸（將接收器與發射器隔離，允許它們共享同一天線）。RF環行器實現了全雙工收發器的操作（在不同的頻率上用單一的共享天線同時進行發射和接收）。端口通過波導傳輸線以及微帶線或同軸電纜連接。

波導/濾波器

波導是用作發射器和接收器與天線的傳輸線的空心金屬管。波導結構的幾何形狀也可以作為一個濾波器，決定哪些頻率可以通過，哪些頻率被濾除。

時鐘發生器

時鐘發生器是一個電子振蕩器，產生用于同步系統級操作的時鐘信號。時鐘發生器必須是可編程的，并為分布在整個系統中的多個時鐘提供足夠的驅動。

光學數字線束

一個可選的光學數字線束也可能是有用的。它將系統的互連進行了電氣隔離，并使天線進一步數字化并減輕重量。

測量的性能

圖11和12展示了EV12DD700 DAC的SFDR和相位噪聲性能。

圖13和14展示了EV10AS940 ADC的SFDR和未校準/校準的性能。

總結

微波RF收發器開發商在堅持SWaP-C約束的同時，面臨著同步采樣、多頻段和多業務系統的設計挑戰。此外，下一代ADC、DAC和FPGA的不斷發布促進了硬件設計的發展和新設計的誕生。

現在，Tx和Rx數據轉換器件可支持L到Ka頻段，先進的SiP組裝技術可將它們和FPGA集成在一個封裝里。這些技術的發展使Teledyne e2v的Tx/Rx MiXiP SiP能夠為微波RF收發器系統提供軟件定義的靈活性和多頻段/多業務能力。MixSiP SiP通過軟件定義的直接RF同步采樣多頻段/多業務收發器，為TAM提供了最高的性能（高達Ka頻段）和價值。

文章來源：actMWJC

審核編輯：湯梓紅