用于海洋的数字相控阵可重配置电路与系统研究

Digital phase array, as a key technology for marine electronics, offers high antenna gain, high directivity, efficient operation, and flexibility. To support diversity, polymorphism, and environment sensitivity for marine applications, the phase array must be reconfigurable to provide multi-mode multi-function operations, superior performance, high-level integration, and interoperability. To enable seamless reconstitution of digital phase array, we will first investigate the electromagnetic wave transmission characteristics under marine environments, and the constraints induced by crowded ocean applications. Based upon these analysis, we will then derive the required reconfigurability, and its optimum partition among RF, analog, and digital circuits and sub-systems. Subsequently, we will explore design methodologies for reconfigurable RF circuits, reconfigurable analog circuits, and reconfigurable digital circuits for the global optimum performance. To achieve accurate beam forming, we will also investigate the techniques to ensure gain and phase matching among elements, reliability, and EMI (EM interference) immunity of the reconfigurable array, which will shed the light to array adaptivity and evolution under marine environments. This research will also develop design methodologies for reconfigurable phase arrays by defying traditional limits in design and verification methods to form a strong foundation for future smart phase arrays.

数字相控阵技术具有高天线增益和方向性，应用灵活可靠，是海洋信息电子领域不可或缺的关键技术；由于海洋应用具有多样化、多态化、随环境变化的特点，要求阵列能够通过重配置提供功能通用性、性能延拓性、和高集成度。为了保证全数字相控阵在海洋应用中无缝重构，必须了解海洋环境对电磁波传输的影响，海洋电磁频谱资源使用对阵列系统的制约，从而得出海洋应用需要的可重配性；为了优化全数字相控阵在各种配置条件下的功能和性能，需要研究阵列系统中射频、模拟、和数字电路可重配性的合理分配，研究射频、模拟、和数字电路的可重配置设计方法；为了确保精确的波束合成和阵列性能，需要解决可重配置全数字DBF相控阵时空一致性难题、可靠性问题、电磁干扰问题；最终实现面向海洋应用的可重配置全数字DBF相控阵，在此基础上探索相控阵在海洋应用中的自适应与自进化。本项目也将研究可重配置相控阵的电路设计理论与方法，为通用相控阵的实现打下基础。

本项目针对目前相控阵列系统存在的体积大、重量重、功耗高、成本高导致平台无法承受应用处处受限的问题，通过解析阵列系统中性能和功能普适性的矛盾和电路系统中性能优化与功能多样的冲突，展开用于相控阵列的可重配置电路与系统理论方面的研究。首先在相控阵列的不同应用场景下总结归纳阵列必须实时支持的功能，从而推导出相关电路系统所需要的可重配置特性。项目组重点研究了数字辅助的精确模拟波束合成设计方法提升阵列系统的抗干扰性能，可重配置高性能射频前端的设计理论与方法，可重配置自适应功率放大器的前馈设计方法定点优化功率放大器的杂散优化相控阵的收发隔离，可重配置的高性能模数、数模转换器的设计理论与方法，可重配置的阵列系统设计理论与方法，以及可重配置的阵列系统的自适应和自进化方法等，最终形成一套完整的可重配置全数字相控阵的电路设计理论。在阵列工程实现方面，强调阵列的高效可重配置实现，重点解决全数字相控阵的幅相一致性，阵列的精准抗干扰能力，电路模块的快速重配置，和可重配置全数字相控阵的实现。在上述研究的基础上深层次探索了可重配置相控阵芯片与系统的设计理论，研制出了多套集成可重配置相控阵列芯片，部分芯片成果已经有了明确的工程应用前景。.项目圆满完成了预期的研究目标和研 究内容。项目执行期间，共发表标注有基金号的学术论文82篇，其中SCI收录论文44篇；申请发明专利48项，其中26项已经授权，包括了4篇美国专利。项目执行期内培养博士人19名，硕士生61名；获浙江省科技进步奖二等奖1项；项目组成员在IEEE IMS，RFIC，ISSCC，ASSCC，IMS，ESSIRC等国际知名会议上发表会议论文10余篇，作会议报告10余次。