Substrat De Boîtier IC - Plate - forme de test radar à matrice phasée entièrement numérique

Au cours des 15 dernières années, l'ARRC a participé au projet national de radar à matrice de phase multifonctionnelle (mpar) aux États - Unis, suivi du projet national d'efficacité spectrale des radars de surveillance (senser), initialement développé par la Federal Aviation Administration (FAA). Le Département de la défense (DoD), le Département de la sécurité intérieure (DHS) et la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Par conséquent, ARRC travaille sur une matrice polarisée entièrement numérique en bande s évolutive pour répondre aux besoins de la météo et du balayage à longue portée des aéronefs. La matrice prendra également en charge d'autres opérations importantes, notamment MIMO et les communications traditionnelles.

Le contrôle flexible du faisceau et la mise en œuvre polyvalente font de Phased Array le meilleur candidat pour un système radar multitâche, car il offre une solution efficace et rentable. Les progrès réalisés dans les technologies GaAs, sige, CMOS et PCB fournissent des dispositifs RF fiables et hautement intégrés qui placent les antennes à réseau phasé au cœur des technologies modernes de télédétection et de communication. L'équipement hautement intégré et efficace permet à l'architecture d'antenne à matrice de phase d'inclure plusieurs émetteurs - récepteurs. Ces dispositifs permettent de réduire les coûts et de réduire le coût des réseaux phasés par rapport aux antennes à réseau phasé de génération précédente qui n'utilisaient que des formateurs de faisceaux analogiques. En termes de taille et de poids, pour optimiser le fonctionnement du système et améliorer les performances du système, la 5G utilisera bien sûr cette technologie de matrice de phase. Les matrices utilisant un formage de faisceau analogique sont naturellement limitées à des schémas de formage de faisceau pouvant être mis en oeuvre par un réglage précis de l'électronique de formage de faisceau frontale.

Actuellement, l'utilisation de la formation numérique de faisceaux (DBF) au niveau des sous - réseaux est une méthode courante pour améliorer la flexibilité des radars à matrice phasée. Le démonstrateur de technologie avancée (ATD) à 76 panneaux, exploité par le National serious Storms Laboratory (nssl) de la NOAA et le radar de faible puissance de Raytheon, connu sous le nom de skyler, de l'Université d'État du Massachusetts (UMass), peut en témoigner. Cependant, le passage à une architecture DBF au niveau de la cellule permettra des fonctionnalités sans précédent. Par exemple, le radar naval du CEA - FAR en Australie, le radar flexdar 2 de l’us Navy, eltaâs MF - star en Israël, afrlâs beemer (numérisation en bande de base de l’antenne Radar expérimentale MIMO) et Space Fence. En outre, la numérisation de chaque cellule d'antenne permet de contrôler la polarisation avec précision et peut contrôler la polarisation H pure ou la polarisation V, ou les deux à 45 degrés, ainsi que le LHC, le RHC ou l'un d'entre eux. État de polarisation.

La technologie des matrices numériques est une orientation de recherche émergente. Une contribution importante du laboratoire de recherche de l'armée du commandement du développement des capacités opérationnelles (LRA du CCDC) a été la mise au point d'une technique robuste d'étalonnage des matrices. Le fonctionnement d'un radar à réseau phasé dans un environnement encombré dépend en grande partie des mesures de protection du radar et de la poursuite des travaux d'étalonnage dans un environnement dynamique. L'étalonnage en usine n'est pas suffisant pour les matrices numériques, d'où la nécessité d'une technique d'étalonnage sur site robuste, qui présente également des avantages en termes d'efficacité de calcul. L'uo et le CCDC arl développent des techniques d'étalonnage basées sur un couplage mutuel pour résoudre les problèmes d'étalonnage dynamique. Le CCDC arl mène des expériences de preuve de concept en utilisant un système de test de laboratoire à matrice numérique au niveau de l'unité pour quantifier les performances de l'algorithme initial. À l'avenir, CCDC arl optimisera ces technologies pour des performances de bande passante plus larges et se concentrera sur l'évolutivité des grandes baies et leur applicabilité aux environnements d'exploitation autres que les plates - formes de test en laboratoire.

Architecture numérique complète

Bien que la mise en œuvre de la bipolarisation sur le nombre de pôles se soit avérée difficile, des progrès significatifs ont été réalisés lors des récents ateliers sur l'échange de technologies radar organisés par la National Science Foundation (NSF) des États - Unis, tels que le panneau de commande en bande s du MIT Lincoln Laboratory à atd6, le prototype en bande s de BCI / lmco, le système radar à matrice à contrôle de phase embarqué en bande C du NCAR, Le radar en bande X de l'Université du Massachusetts et le démonstrateur cppar (cylindric Polarized phase controlled radar) en bande s de l'uo 7. Pour améliorer la résolution temporelle de l'opération Spotlight, l'ARRC a produit il y a quelques années un radar d'imagerie atmosphérique (air) monopolarisé en bande X, comme le montre la figure 1. Air fonctionne en mode "submergé", émettant des faisceaux en secteurs verticaux de 20 degrés et utilisant 36 réseaux de réception pour la formation de faisceaux numériques à grande échelle. En d'autres termes, un indicateur de distance - altitude (RHI) mesuré par radar peut être formé simultanément, de la même manière qu'une photo prise avec une caméra électromagnétique. Cette architecture combinée à un balayage mécanique azimutal de 20 degrés / seconde permettra à air existant de collecter des informations sur une plage de 180 * 20 degrés en environ 9 secondes. C'est donc aussi la résolution la plus élevée au monde pour les observations de la cause des tornades. 8. Un autre système similaire avec une résolution d’inondation est le par X de l’université d’osaka.

Ces modes de fonctionnement avancés de surveillance par imagerie nécessitent plusieurs canaux de sous - réseau numérisés. L'augmentation du niveau de numérisation permettra également la formation de faisceaux numériques adaptatifs (adbf), le traitement adaptatif spatio - temporel (STAP) et même les modes de fonctionnement MIMO. L'architecture de réseau phasé idéale aurait des fonctions numériques, les signaux d'émission et de réception de chaque unité d'antenne étant contrôlables, elle aurait donc également une large couverture de bande passante. Comme le traitement au niveau de l'unité et la formation ultérieure du faisceau sont numérisés, ils peuvent être reconstruits et optimisés pour différents scénarios d'application. La numérisation au niveau de l'unité ouvre la porte à de nouvelles solutions de traitement et de formation de faisceaux et offre une flexibilité maximale grâce à une plage de réglage dynamique sans précédent dans les grands systèmes. Par example, étant donné m éléments d'antenne et que le bruit entre les éléments n'est pas corrélé, le rapport signal sur bruit du système est amélioré de 10 Log (m). Cependant, cela s'accompagne de risques techniques inhérents et de défis pratiques, tels que la quantité de données à traiter et l'utilisation d'émetteurs - récepteurs simples.

La figure 3 montre trois exemples d'un système de nombre de barres standard entièrement numérique. L'image la plus à gauche de la figure 3 représente plusieurs faisceaux lumineux typiques de haute sensibilité et plusieurs faisceaux de faible priorité nécessaires à la collecte d'informations importantes dans la zone. L'image du milieu de la figure 3 montre un example de multiplexage spatio - temporel permettant de prélever plusieurs groupes d'échantillons indépendants de la zone de surveillance; De cette façon, moins d'échantillons peuvent être utilisés pour collecter des données. Comme le filtrage spatial adaptatif peut être réalisé au moyen d'une matrice phasée 4, cela prouve grandement la justesse de l'utilisation d'une matrice phasée sur une antenne parabolique typique. Enfin, l'image la plus à droite de la figure 3 décrit comment le démonstrateur mobile utilisera l'expertise en imagerie de l'équipe pour réaliser un balayage par lots rapide 8.

Pour tout Radar Multi - missions du futur, la mise en œuvre simultanée de plusieurs fonctions est le seul moyen de répondre aux exigences de la mission sur un calendrier donné. La flexibilité de la formation avancée des faisceaux par numérisation est donc essentielle. En outre, cette approche permet d'effectuer d'autres tâches tout au long du cycle de vie du nombre de barres standard numériques grâce à des mises à niveau logicielles plutôt qu'à des conversions matérielles coûteuses, ce qui permet d'économiser des coûts d'exploitation et de maintenance importants. La partie suivante donnera un aperçu de l'évolution du nombre de poteaux standard bipolaires en bande s que l'ARRC conçoit et fabrique. Le nombre de pôles standard bipolaires en bande s atteindra ces objectifs. Ce système est appelé Horus. Il dispose d'un émetteur - récepteur numérique pour chaque polarisation et chaque élément d'antenne. Il sera un outil de recherche précieux pour évaluer les forces et les défis de cette approche.

Concept de conception de Radar Horus

ARRC travaille actuellement sur un système mobile à matrice de phase bipolaire en bande S. Le système utilise une architecture entièrement numérique et se compose de 1024 unités d'antenne bipolaires divisées en 25 panneaux 8 * 8 (dont 16 avec électronique), comme le montre la figure 4. Chaque panneau est équipé de huit « octoblades » dans lesquels se trouve la quasi - totalité de l’électronique radar. Chaque octoblade a été soigneusement conçu pour exciter les colonnes de 8 éléments d’un réseau d’antennes hautes performances dans le panneau et atteindre un état de polarisation presque idéal sur le plan principal. Le plan principal se compose d'une plaque de refroidissement métallique (caloducs) avec un PCB de chaque côté qui peut accueillir un total de 16 extrémités frontales à base de Gan (chaque cellule, chaque polarisation > 10 W), dont 8 sont des émetteurs - récepteurs numériques à double canal analogique, 4 FPGA frontaux pour le traitement et 2 FPGA pour la commande. Les composants du sous - système d'antenne et de ses composants électroniques associés peuvent être divisés en l'une des trois architectures principales suivantes: un ensemble conforme de patch, un ensemble de panneau (avec un octoblade coulissant) ou une structure indépendante séparée par des câbles (Figure 4). La conception avec un octoblade coulissant nécessite des coûts de maintenance minimaux, car ces composants électroniques sont faciles à brancher à chaud. Cette fonctionnalité pratique est idéale pour les systèmes de base qui nécessitent des décennies de vie utile.

Généralement, les performances d'un grand réseau dépendent de la structure d'interconnexion numérique derrière le réseau. Les topologies hiérarchiques traditionnelles sont actuellement utilisées, mais certaines de leurs caractéristiques, telles que l'évolutivité, la flexibilité et la bande passante, sont limitées. Par exemple, certaines matrices utilisent une topologie de grille. Lors de l'utilisation d'une topologie de grille, la charge sur le canal central est lourde. Cela entraîne généralement une congestion dans la zone centrale du réseau. La solution à cette situation consiste à ajouter un routeur au réseau maillé ou à utiliser une topologie en anneau. Cette topologie en anneau a une symétrie sur le routeur opposé et peut réduire la congestion inutile en augmentant les ressources en petites quantités. Mais il reste encore beaucoup de questions en suspens. Nous pensons que les trois principaux problèmes sont: les mécanismes de transmission des données (c. - à - D. RapidIO, Gigabit Ethernet, etc.), le degré de formation de faisceaux partiels et la topologie des chemins de données (c. - à - d. La structure hiérarchique, etc.). Un bon équilibre de ces problèmes permettra à La taille de la matrice d'évoluer facilement pour répondre à diverses tâches.

Le radar normal de Horus est alimenté à l'arrière du panneau via le réseau RapidIO, complétant la formation de faisceaux numériques. Cela permettra d'obtenir un produit de largeur de bande de faisceau (par exemple, un faisceau de 200 MHz dans une plage dynamique appropriée) pour un système de nombre de barres standard conceptuellement polyvalent. Le formateur de faisceaux hiérarchique réduit le nombre de flux de données à chaque niveau de la structure hiérarchique et effectue une pondération et une agrégation partielles dans le processus. Un formateur de faisceaux pulsés est similaire, mais au lieu d'agréger les données à un stade donné, il envoie les données le long d'une série de noeuds ou de cellules. Une partie des données du faisceau est agrégée au cours de ce processus pour être utilisée dans les étapes ultérieures de traitement. Sortie Presque tous les tableaux numériques de taille moyenne connus de l'auteur utilisent une certaine forme de traitement hiérarchique / impulsionnel pour implémenter un front - end numérique. Il est important que, contrairement aux matrices analogiques, l'utilisation de la mise en forme de faisceau hiérarchique / impulsionnelle permette d'équilibrer le nombre de faisceaux avec la bande passante du signal dans le domaine numérique, de sorte que le produit fixe de la bande passante totale du faisceau reste approximativement constant en chaque point de la chaîne de traitement frontale.

Dans le cas d'une structure multi - niveaux, le coût d'interconnexion est proportionnel au logarithme du nombre de cellules M, et le traitement des données et du Front - end est approximativement linéaire par rapport à M. les deux sont proportionnels à la bande passante de l'ensemble du système. Dans les compromis de Calibration, de formation de faisceau et d'adaptation, ces types de considérations guident la conception de toute architecture DBF frontale. En fin de compte, RapidIO peut prendre en charge n'importe quelle architecture de réseau, comme les anneaux pliants qui réduisent la latence et améliorent la fiabilité, ce qui sera exploré à l'avenir.

La figure 5 montre les résultats des mesures de laboratoire du démonstrateur mobile 9. Cette antenne à matrice de phase à double polarisation active entièrement numérique est conçue pour contrôler complètement les signaux d'émission et de réception de chaque unité d'antenne. Par rapport à l'antenne parabolique wsr - 88d, la conception de l'antenne du projet ARRC est axée sur la réalisation des mêmes fonctionnalités ou l'amélioration des performances. Ces spécifications de conception sont essentielles étant donné que les missions météorologiques sont plus exigeantes en polarisation que les missions de surveillance d'aéronefs en ce qui concerne l'identification des cibles. Les radars bipolaires ont besoin de faibles niveaux de polarisation croisée (moins de - 40 dB) et de modes bien adaptés (moins de 0,1 DB) pour déterminer avec succès les variables de polarisation de l'atmosphère balayée.

En général, tous les écarts dans les variables de polarisation augmentent à mesure que le niveau de polarisation croisée de l'antenne augmente. Au cours du processus de conception de PCB pour les réseaux 8 * 8, de nombreux éléments dans les cellules d'antenne ont été étudiés. Ces éléments comprennent: inhibition de diffraction de bord; Une largeur de bande supérieure à 10% pour une fréquence centrale de 2,8 GHz; L'isolation entre les ports est d'environ - 50 DB; L'azimut ± 60º est dans la plage de balayage, le niveau de polarisation croisée est inférieur à - 45db dans la plage de balayage avec un angle de tangage ± 10º et le désadaptement de copolarisation est inférieur à 0,1db. Soigneusement calibré, le coefficient de réflexion actif peut atteindre au moins - 10db pour une plage de balayage de ± 60º en azimut et de ± 10º en élévation. Ainsi, cet article a conçu pour Horus un nouveau type de radiateur de patch micro - ruban croisé empilé avec couplage électromagnétique. L'image la plus à gauche sur la figure 5 est le panneau 8 * 8 de ces radiateurs. Le radiateur et le réseau d'alimentation sont divisés en deux parties distinctes pour les empêcher de se plier après la fabrication. Le radiateur est composé de deux couches conductrices et d'un radôme collé par RT / duroid 5880lz et ro4450f.