IC-Substrat - Testplattform für ein vollständig digitales Phased Array Radar

Radar-Leeserplbeese revolutiauf
In die Vergeingenhees 15 Jahre, ARRC hbei teilgenommen in die U.S. Nbeiiaufaleee Multifunktiaufal Phbeienweistttttttttttttttttte Array Radar ((MPAR)) Projekt, gefolgt vauf die U.S. Natiaufal Überwachung Radar Spektrum Effizienz ((SENSER)) Projekt, die war ursprünglich entwickelt vauf die Bundeslund Luftfahrt Verwaltung ((FAA)). ), die Abteilung von Verteidigung ((DoD)), die Abteilung von Heimatlund Sicherheit ((DHS)) und die National Ozeeinisch und Atmosphärisch Verwaltung ((NOAA)). Daher, ARRC is Arbeit on a skalierbar S-Bund vollständig digital polarisiert schrittweise array zu treffen die Bedürfnisse von Wirtter und leinge Reichweite Luftfahrzeuge Skeinnnen. Die array wird auch Unterstützung undere wichtig Operatieinen, einschließlich MIMO und konventionell Kommunikation.

Flexibel Strahl Steuerung und multifunktional Umsetzung machen die schrittweise array die am besten Kundidat für Multitalsking Radar Systeme weil it bietet ein effizient und kostengünstig Lösung. Voderschüsse in GaAs, SiGe, CMOS und PCB Technologien haben zur Verfügung gestellt zuverlässig, hochintegrierte HF Geräte dalss machen schrittweise array Antennen die Kern von modern remote Sensoderik und Kommunikation Technologien. Hoch integriert und effizient Geräte zulalssen die schrittweise array Antenne Architektur zu enthalten mehrfach Transceiver. Verglichen mit die voderherige Erzeugung schrittweise array Antennen dalss nur VerwEndeung analog Strahlfürmer, diese Geräte kann Reduzieren die Kosten und Reduzieren die Kosten von schrittweise Arrays. Für Größe und Gewicht, und zu optimieren System Funktionen und Verbesserung System Leistung, 5G wird von Kurs VerwEndeung solche schrittweise array Technologie. Arrays dalss Verwendung analog Strahlfürmung sind natürlich begrenzt zu Strahlfürmung Systeme dass kann be erreicht durch die präzise Einstellung von Frontend StrahlFürmung Elektronik.

Derzeit ist der Einsatz von Digital Beamfürming (DBF) auf Sub-Array-Ebene eine gängige Methode, um die Flexibilität von Phated-Array-Radsindn zu verbessern. Der 76-Panel Advanced Technology Demonstrazur (ATD), der vom NOAA National Severe Szurm Laboderazury (NSSL) und der MassachVerwendungtts State University (UMass) Raydieon Low-Power Radar (dh Skyler) betrieben wird, kann dies beweisen. Die Umstellung auf eine DBF-Architektur auf Zellenebene wird jedoch beispiellose Funktionen ermöglichen. Zum Beispiel Australiens CEA-FAR MarineRadar, US Navy FlexDAR Radar 2, Israel Eltas MF-STAR, AFRL-BEEMER (die Basisbunddigitalisierung experimenteller Radarantenneneinheiten von MIMO) und Raumzäune. Darüber hinaus ermöglicht die Digitalisierung jeder Antenneneinheit den Menschen, die Polarisation genau zu steuern und kann die reine H- oder V-Polarisation steuern oder sowohl H- als auch V-Polarisation bei 45 Grad sowie LHC, RHC oder irgendeine von ihnen steuern. Polarisationszustund.

Die digitale Array-Technologie ist eine aufstrebende Fürschungsrichtung. Ein wichtiger Beitrag des Combat Capability Development Commund Army Research Laborazury (CCDC ARL) ist die Entwicklung leistungsfähiger Techniken zur Array-Kalibrierung. Der Betrieb von Phased Array Radar in einer überfüllten Umgebung hängt in hohem Maße von den Maßnahmen zum Schutz des Radars und der Fortsetzung der Kalibrierarbeiten in einer dynamischen Umgebung ab. Die Werkskalibrierung reicht für digitale Arrays nicht aus, daher sind leistungsfähige Kalibrierungstechniken vor Ort erfürderlich, die auch Vorteile bei der Recheneffizienz haben. OU und CCDC ARL entwickeln Kalibrierungstechnologie, die auf gegenseitiger Kopplung basiert, um das dynamische Kalibrierungsproblem zu lösen. CCDC ARL führt ein Provon-von-Concept-Experiment durch, bei dem ein digitales Array-LabortestSystem auf Unit-Ebene verwendet wird, um die Leistung des ursprünglichen Algorithmus zu quantifizieren. Mit Blick auf die Zukunft wird CCDC ARL diese Technologien optimieren, um eine breitere Bundbreitenleistung zu erreichen, und sich auf die Skalierbarkeit großer Arrays und ihre Anwendbarkeit in underen Betriebsumgebungen als Labortestplattfürmen konzentrieren.

Komplette digitale Architektur

Obwohl es sich als schwierig erwiesen hat, eine doppelte Polarisation auf PAR zu erreichen, haben jüngste Radartechnologie-Austauschseminsind, die von der National Science Foundation (NSF) gefördert werden, bedeutende Fortschritte erzielt, wie das S-Bund-KontrollPanel des MIT Lincoln Lab in ATD6, der S-Bund-Prozutyp von BCI/LMCO, das C-Bund Airborne Phased Array RadarSystem von NCAR, UMass's X-Bund Radar und OUs S-Bund Cylindrical Polarized Phased Array Radar (CPPAR) Demonstrazur 7. Um die Zeitauflösung des "Spotlight"-Betriebs zu verbessern, produzierte ARRC vor einigen Jahren ein Single-Polarisation X-Bund Atmospheric Imaging Radar (AIR), wie in Abbildung 1 gezeigt. und Verwendung von 36-EmpfangsArrays für großflächiges digitales Beamfürming. Mit underen Worten, der vom Radar gemessene Höhenanzeiger (RHI) kann gleichzeitig gebildet werden, ähnlich wie ein Fozu mit einer elektromagnetischen Kamera. Diese Architektur kombiniert mit 20°/Sekunden Azimut-Skannning ermöglicht es dem vorhundenen AIR, Informationen im Bereich von 18*8*8*80*20 Grad in etwa 9 Sekunden zu sammeln. Daher ist dies auch die weltweit höchste Auflösung für Tornado-Ursache-Beobachtung. 8. Ein weiteres ähnliches System mit Hochwasserauflösung ist das X-Band PAR der Universität Osaka.

Diese fortschrittlichen Betriebsarten der Bildüberwachung erfordern mehrere digitalisierte Sub-Array-Kanäle. Die Verbesserung der Digitalisierungsebene wird auch adaptives digitales Beamforming (ADBF), raumzeitliche adaptive Verarbeitung (STAP) und sogar MIMO-Betriebsmodi ermöglichen. Die ideale Phased-Array-Architektur verfügt über digitale Funktionen, und die Sende- und EmpfangsSignale jeder Antenneneinheit sind steuerbar, so dass sie auch eine breite Bandbreite abdeckt. Da die Unit-Level-Verarbeitung und die anschließende Beamforming digital sind, können sie für unterschiedliche Anwendungsszenarien rekonstruiert und optimiert werden. Die Digitalisierung auf Unit-Ebene öffnet die Tür zu neuen Strahlverarbeitungs- und Beamforming-Lösungen und bietet maximale Flexibilität durch beispiellose dynamisch einstellbsind Reichweite in großen Systemen. Wenn beispielsweise M-Antennenelemente und das Rauschen zwischen den Elementen unkorreliert sind, wird das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems um 10 log(M) verbessert. Dies geht jedoch mit inhärenten technischen Risiken und praktischen Herausforderungen einher, wie etwa der zu verarbeitenden Datenmenge und dem Einsatz unkomplizierter Transceiver.

Abbildung 3 zeigt drei Beispiele für volldigitale PAR-Systeme. Das linke Bild in Abbildung 3 zeigt mehrere typische Hochempfindlichkeseinestrahlen und mehrere Niedrigprioritätsstrahlen, die notwendig sind, um wichtige Informationen in einem Bereich zu sammeln. Das Bild in der Mitte von Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für räumlich-zeitliches Multiplexing, durch das mehrere Sätze unabhängiger Proben aus dem Überwachungsbereich entnommen werden können; Auf diese Weise können weniger Proben zur Datenerhebung verwendet werden. Da adaptive räumliche Filterung durch Phased Array4 erreicht werden kann, beweist dies die Richtigkeit der Verwendung eines Phased Arrays auf einer typischen Parabolantenne. Schließlich beschreibt das rechte Bild in Abbildung 3, wie der mobil Demonstrazur die Bildgebungskompetenz des Teams nutzen wird, um schnelle Batch-Skanns zu erzielen.8

Für jedes zukünftige Multi-Task-Radar ist die gleichzeitige Realisierung mehrerer Funktionen die einzige Möglichkeit, Missionsanforderungen auf einer bestimmten Zeitachse zu erfüllen. Daher ist es unerlässlich, die Flexibilität fortschrittlicher Beamforming durch Digitalisierung zu realisieren. Darüber hinaus kann diese Methode andere Aufgaben im gesamten Lebenszyklus des digitalen PAR durch Svontwsind-Upgrades anstelle von teuren Hardwsind-Transformationen umsetzen und dadurch eine Menge Betriebs- und Wartungskosten einspsindn. Der nächste Teil wird einen Überblick über die Entwicklung des S-Band Dual-Polarisation PAR geben, der am ARRC enzweirfen und hergestellt wird. Die S-Band Dual-Polarisation PAR wird diese Ziele erreichen. Dieses System heißt Horus. Es verfügt über einen digitalen Transceiver für jede Polarisation und jedes Antennenelement. Es wird zu einem wertvollen Forschungsinstrument, um die Vorteile und Herausforderungen dieser Methode zu bewerten.

Konzept des Horus-Radars

ARRC entwickelt derzeit ein mobils S-Band dual-polarisiertes Phased Array System. Das System hat eine vollständig digitale Architektur, bestehend aus 1024 dual-polarisierten Antenneneinheiten, unterteilt in 25 8*8 Panels (von denen 16 mit elektronischen Geräten ausgestattet sind), wie in Abbildung 4 gezeigt. Jedes Panel ist mit acht "OkzuBlade" ausgestattet, fast die gesamte Radsindlektronik befindet sich darin. Jedes OkzuBlade ist sorgfältig enzweirfen, um die 8-Elemente-Säule des HochleistungsantennenArrays im Panel zu erregen und einen nahezu idealen Polarisationszustand auf der Hauptebene zu erreichen. Die Hauptebene besteht aus einer Metalleekühlplatte (Wärmeübertragungsrohr) mit einer Leiterplatte auf jeder Seite, um insgesamt 16 GaN-basierte FrontEnden (jede Einheit, jede Polarisation> 10W) unterzubRingen, von denen acht duale analoge Geräte Kanal Digital Transceiver, vier Front-End FPGAs zur Verarbeitung und zwei FPGAs zur Steuerung sind. Die Baugruppe des AntennenTeilSysteme und der zugehörigen elektronischen Komponenten kann in eine der folgenden drei Hauptarchitekturen eingeteilt werden: Konforme Patchmontage, Ein Design mit einem ausziehbsindn OczuBlade erfordert die niedrigsten Wartungskosten, da diese elektronischen Komponenten leicht im Hot-Swap getauscht werden können. Diese komfortable Funktion eignet sich perfekt für FundamentSysteme, die jahrzehntelange Lebensdauer erfordern.

Im Allgemeinen hängt die Leistung eines großen Arrays von der digitalen Verbindungsstruktur hinter dem Array ab. Die traditionelle hierarchische Topologie wird derzeit verwendet, aber einige ihrer Eigenschaften, wie Skalierbarkeit, Flexibilität und Bandbreite, sind eingeschränkt. Einige Arrays verwenden beispielsweise eine Netzzupologie. Bei Verwendung einer Netzzupologie ist die Belastung des zentralen Kanals stark. Dies führt in der Regel zu Überlastung im zentralen Bereich des Netzes. Die Lösung für diese Situation besteht darin, Router zum Mesh-Netzwerk hinzuzufügen oder eine Ringzupologie zu verwenden. Diese Ringzupologie hat Symmetrie auf den Routern auf der gegenüberliegenden Seite, was unnötige Überlastung mit einem geRingen Ressourcenzuwachs reduzieren kann. Aber es gibt noch viele ungelöste Probleme. Wir glauben, dass die drei Hauptprobleme sind: der DatenübertragungsMechanismusus (dh RapidIO, Gigabit Ediernet, etc.), der Grad der partiellen Beamforming und die Datenpfadzupologie (dh, hierarchische Struktur, etc.). Eine gute Balance dieser Probleme ermöglicht es, die Array-Größe leicht zu erweitern, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen.

Horus" gewöhnliches Radar wird über das RapidIO-Netzwerk in die Rückseite des Panels eingespeist, um das digitale Beamforming abzuschließen. Dies ermöglicht das Strahlbandbreitenprodukt eines konzeptionell multifunktionalen PAR-Systems (z.B. 200MHz Strahl in einem geeigneten Dynamikbereich). Der hierarchische Beamformer reduziert die Anzahl der Datenströme auf jeder Ebene der hierarchischen Struktur und führt dabei eine partielle Gewichtung und Aggregation durch. Der Pulsstrahlformer ist ebenfalls ähnlich, aber anstatt Daten in einem bestimmten Stadium zusammenzufassen, sendet er Daten entlang einer Reihe von Knoten oder Einheiten. Ein Teil der Strahldaten wird in diesem Prozess zusammengefasst und in nachfolgenden Verarbeitungsschritten verwendet. Ausgabe. Fast jedes dem Auzur bekannte mittelgroße digitale Array nutzt eine Art LayeRing/Pulsverarbeitung, um ein digitales Frontend zu implementierenieren. Im Gegensatz zu analogen Arrays kann die Verwendung von Layered/Pulsd Beamforming die Anzahl der Strahlen mit der Signalbandbreite im digitalen Bereich ausgleichen, so dass das feste Gesamtstrahlbandbreitenprodukt an jedem Punkt der Front-End-Verarbeitungskette ungefähr konstant bleibt.

Bei einer mehrstufigen Struktur sind die Verbindungskosten proportional zum Logarithmus der Anzahl der Einheiten M, und die Daten- und Frontend-Verarbeitung sind ungefähr linear proportional zu M. Beide sind proportional zur Bandbreite des gesamten Systems. Diese Art von Überlegungen haben eine entscheidende Bedeutung für das Design jeder Front-End-DBF-Architektur in den Kompromissen Kalibrierung, Beamforming und Anpassung. Am Ende kann RapidIO jede Netzwerkarchitektur unterstützen. Ein gefalteter Ring kann die Latenz reduzieren und die Zuverlässigkeit verbessern, was in Zukunft untersolchet werden wird.

Abbildung 5 zeigt die Labormessresultate des mobilen Demonstrazur9. Diese voll digitale aktive dual-polarisierte Phased Array Antenne wurde entwickelt, um die Sende- und Empfangssignale jeder Antenneneinheit vollständig zu steuern. Im Vergleich zur WSR-88D Parabolantenne konzentriert sich das AntennenDesign des ARRC-Projekts auf die Erreichung der gleichen Funktion oder Verbesserung der Leistung. Angesichts der Tatsache, dass meteorologische Missionen höhere Anforderungen an die Polarisierung als Flugzeugüberwachungsmissionen hinsichtlich der Zielerkennung haben, sind diese Konstruktionsspezifikationen entscheidend. Dual-PolarisationsRadar benötigt sowohl eine niedrige Kreuzpolarisationsstufe (weniger als -40dB) als auch ein gut abgestimmtes Muster (weniger als 0,1dB), um die PolarisationsVariable der geskannnten Atmosphäre erfolgreich zu bestimmen.

Allgemein, as die Kreuz-Polarisation Ebene von an Antenne Zunahmes, all Abweichungen in die Polarisation Variable Zunahme. Während die PCB-Design von die 8*8 array, viele Elemente in die Antenne Einheit wsindn untersucht. Diese Elemente umfassen: Kante Beugung Unterdrückung; Bandbreite mit a center Frequenz von 2.8GHz über 10%; Isolierung zwischen Ports is über -50dB; Azimut Winkel ±60º In die skannning Bereich, die Kreuzpolarisation Ebene is niedriger als -45dB and die co-Polarisation Fehlübereinstimmung is niedriger als 0.1dB mitin die Skannnen Bereich von die Tonhöhe Winkel ±10º. Nach csindful Kalibrierung, die aktiv Reflexion Koeffizient von at am wenigsten -10dB can be erhalten for die Scannen Bereich von Azimut Winkel ±60º and die Scannen Bereich von Höhe Winkel ±10º. Dierefore, dies enzweirfen a neu Typ von gestapelt cross Mikrostreifen Patch Heizkörper mit elektromagnetisch Kupplung for Horus. Die ganz links Bild in Abbildung 5 is an 8*8 Panel von diese Heizkörper. Die Heizkörper and die Futtermittel Netzwerk are geteilt in two unterschiedlich Teile to verhindern diem von Biegen nach manuTatsacheuring. Die Heizkörper besteht aus von two leitfähig Ebenen and a Radom geklebt von RT RT/Duroid 5880LZ and RO4450F.