使用数字波束成形和共封装光学I/O的SWaP友好架构

  现代雷达系统的功率和复杂性正在飞速增长。这些系统提供的能力在短短几年前是无法想象的。此外，不断地开发意味着这些系统将为传感应用带来革命性的变化。然而，要充分利用这些最先进的技术，必须克服数据带宽这个瓶颈。

  数字波束成形

  波束成形是一种信号处理技术，采用相控阵天线，在传输或接收过程中提供定向信号。这意味着你可以控制信号（或多个信号）的方向，而不需要实际移动天线。

  波束成形可以通过模拟、数字或混合技术来完成。数字波束成形使用计算密集型的数字信号处理（DSP）算法来控制从天线阵列发送和接收的信号。

  与模拟技术相比，数字波束成形技术有许多优点，包括简化射频集成电路（RFIC）设计，并通过将波束成形的操作转移到数字领域来实现，获得更好的可扩展性。这对提供形成波束模式的灵活性和支持多个平行数据流至关重要。在雷达应用中，这意味着来自多个方向的信号可以同时被监测和测量。数字波束成形在处理干扰方面也要好得多。例如，如果一个雷达系统受到来自敌对来源的干扰，数字波束成形可以使其无效，适应自己的波束模式以完成任务。

  瓶颈问题

  数字波束成形提供了模拟或混合波束成形方法根本无法实现的能力。它的瓶颈是大量的数字数据必须在天线阵列和计算（处理器）阵列之间来回传递。

  数字波束成形通过简化RFIC前端电路使天线阵列系统扩展到更高的频率，即毫米波（mmWave）。使用毫米波有多种优势。除了支持更高的带宽外，其更短的波长意味着更多的天线可以更紧密地排列在一起。这意味着，由于更高的保真度和分辨率，雷达阵列可以监测更多的目标，和更小的目标。

  然而，这也导致了一个 "双重打击" -- 随着带宽的增加，样本的数量也在增加，而随着波长的减少，天线的数量可以更密集地排列。所有这些都导致了带宽密度需求的二次增长。反过来，这就要求在天线阵列和计算阵列之间（也包括计算阵列内部的处理元件之间）有一个新的互连解决方案。

  解决办法

  显而易见的解决方案是使用光传输机制，因为光互连提供了高带宽、低延迟和低功耗的互连，并且能够抵抗电磁干扰（EMI）。然而，仅仅把现有的设备（CPU、DSP、FPGA、ASIC、RFIC等）用外部光互连来增强是不够的。为了实现尽可能高的传输速度和带宽，需要将光互连纳入器件的封装内部。

  共封装的光I/O可以使芯片与芯片之间的通信距离非常广泛，从几毫米到几千米。这为新的相控阵雷达架构打开了丰富的可能性，如尺寸、重量和功率（SWaP）友好的分解实现。在现实世界里面，这些可能性的例子如下。

  航空航天。以飞机上的雷达为例，传感器阵列可以安装在机头和机翼顶端，共封装光学I/O可用于将数据从阵列中的RFIC芯片直接传送到位于飞机中部的计算阵列。结合来自多个广泛分布的传感器的数据，可以提供更大的视场（FoV）和更高的分辨率。

  地面和海上雷达的部署。共封装光学I/O能够为战区互联等最终用途提供分解的传感和处理。聚集来自多个分布式传感阵列的数据可提供更完整的整体图像，从而最大限度地提高态势感知度。

  搜索和救援。共封装光学I/O有利于增加同步光束的数量，从而大大改善空间覆盖。反过来，这也增加了检测的概率，并减少了找到遇险者或处于紧迫危险中的人所需的时间。

  AyarLabs开发了TeraPHY?共封装光学I/O小芯片（chiplets），其他设备（CPU、GPU、FPGA、ASIC、RFIC等）的设计者可以在他们的系统级封装（SiP）模块中嵌入这些小芯片。这些小芯片由AyarLabs的SuperNova?先进光源来配合使用（图1）。

图1. TeraPHY共封装光学I/O芯片和SuperNova光源释放了新的数字波束成形架构的潜力

  TeraPHY小芯片和SuperNova光源的结合将颠覆数字波束成形应用的传统性能、成本和效率曲线，与传统的铜基电气互连技术相比，它能以十分之一的功耗提供高达1000倍的带宽密度。