Substrato IC - Piattaforma di prova per radar phased array interamente digitali

Negli ultimi 15 anni, ARRC ha partecipato al progetto MPAR (National Multifunctional Phased Array Radar) degli Stati Uniti, seguito dal progetto SENSER (National Surveillance Radar Spectrum Efficiency), originariamente sviluppato dalla Federal Aviation Administration (FAA). ), il Dipartimento della Difesa (DoD), il Dipartimento della Sicurezza Nazionale (DHS) e l'Amministrazione Nazionale Oceanica e Atmosfera (NOAA). Pertanto, ARRC sta lavorando su un array phased polarizzato polarizzato completamente digitale scalabile in banda S per soddisfare le esigenze della scansione degli aerei a lungo raggio e meteo. L'array supporterà anche altre operazioni importanti, tra cui MIMO e comunicazioni convenzionali.

Il controllo flessibile del fascio e l'implementazione multifunzionale rendono il phased array il miglior candidato per sistemi radar multi-task perché fornisce una soluzione efficiente ed economica. I progressi nelle tecnologie GaA, SiGe, CMOS e PCB hanno fornito dispositivi RF affidabili e altamente integrati che fanno delle antenne phased array il nucleo delle moderne tecnologie di telerilevamento e comunicazione. Dispositivi altamente integrati ed efficienti consentono all'architettura dell'antenna phased array di contenere più ricetrasmettitori. Rispetto alle antenne phased array di generazione precedente che utilizzano solo beamformer analogici, questi dispositivi possono ridurre il costo e ridurre il costo degli array phased. Per dimensioni e peso, e per ottimizzare le funzioni del sistema e migliorare le prestazioni del sistema, 5G utilizzerà naturalmente tale tecnologia phased array. Gli array che utilizzano il beamforming analogico sono naturalmente limitati agli schemi di beamforming che possono essere raggiunti attraverso l'impostazione precisa dell'elettronica di beamforming front-end.

Attualmente, l'uso del beamforming digitale (DBF) a livello di sub-array è un metodo comune per migliorare la flessibilità dei radar phased array. L'Advanced Technology Demonstrator (ATD) a 76 pannelli gestito dal NOAA National Severe Storm Laboratory (NSSL) e dal Massachusetts State University (UMass) Raytheon radar a bassa potenza (cioè Skyler) può dimostrarlo. Tuttavia, il passaggio a un'architettura DBF a livello di cella consentirà funzioni senza precedenti. Ad esempio, il radar navale CEA-FAR australiano, il radar FlexDAR 2 della US Navy, l'MF-STAR di Israele Eltaâ, il BEEMER di AFRL (la digitalizzazione in banda base delle antenne radar sperimentali MIMO) e le recinzioni spaziali. Inoltre, la digitalizzazione di ogni unità antenna consente alle persone di controllare accuratamente la polarizzazione, e può controllare la polarizzazione H pura o la polarizzazione V, o controllare sia la polarizzazione H che V a 45 gradi, così come LHC, RHC o uno qualsiasi di loro. Stato di polarizzazione.

La tecnologia array digitale è una direzione di ricerca nascente. Un importante contributo del Combat Capability Development Command Army Research Laboratory (CCDC ARL) è lo sviluppo di potenti tecniche per la calibrazione degli array. Il funzionamento del radar phased array in un ambiente affollato dipende in larga misura dalle misure di protezione del radar e dal proseguimento dei lavori di taratura in un ambiente dinamico. La calibrazione in fabbrica non è sufficiente per gli array digitali, quindi sono necessarie potenti tecniche di calibrazione in loco, che hanno anche vantaggi in termini di efficienza computazionale. OU e CCDC ARL stanno sviluppando la tecnologia di calibrazione basata sull'accoppiamento reciproco per risolvere il problema di calibrazione dinamica. CCDC ARL sta conducendo un esperimento proof-of-concept, utilizzando un sistema di test di laboratorio digitale a livello di unità per quantificare le prestazioni dell'algoritmo iniziale. Guardando al futuro, CCDC ARL ottimizzerà queste tecnologie per ottenere prestazioni di larghezza di banda più ampie e si concentrerà sulla scalabilità dei grandi array e sulla loro applicabilità ad ambienti operativi diversi dalle piattaforme di test di laboratorio.

Architettura digitale completa

Anche se si è dimostrato difficile raggiungere la doppia polarizzazione sul PAR, i recenti seminari di scambio di tecnologia radar sponsorizzati dalla National Science Foundation (NSF) hanno fatto progressi significativi, come il pannello di controllo a banda S del MIT Lincoln Lab in ATD6, il prototipo a banda S di BCI/LMCO, il sistema radar a banda C di NCAR, il radar a banda X di UMass e il dimostratore a banda S polarizzata cilindrica a phased array (CPPAR) di OU 7. Al fine di migliorare la risoluzione temporale dell'operazione "spotlight", ARRC ha prodotto un radar di imaging atmosferico a banda X a polarizzazione singola (AIR) alcuni anni fa, come mostrato nella Figura 1. L'AIR funziona in modalità "flooding", lanciando un fascio di ventole verticale di 20 gradi e utilizzando 36 array di ricezione per il beamforming digitale su larga scala. In altre parole, l'indicatore di altezza del raggio (RHI) misurato dal radar può essere formato contemporaneamente, simile a scattare una foto con una fotocamera elettromagnetica. Questa architettura combinata con la scansione meccanica azimuta di 20 gradi/secondo consentirà all'AIR esistente di raccogliere informazioni nell'intervallo di 180 * 20 gradi in circa 9 secondi. Pertanto, questa è anche la più alta risoluzione del mondo per l'osservazione delle cause di tornado. 8. Un altro sistema simile con risoluzione di inondazione è PAR a banda X dell'Università di Osaka.

Queste modalità operative avanzate di sorveglianza delle immagini richiedono più canali sub-array digitalizzati. Il miglioramento del livello di digitalizzazione renderà possibili anche il beamforming digitale adattivo (ADBF), l'elaborazione adattiva spazio-temporale (STAP) e persino le modalità operative MIMO. L'architettura phased array ideale avrà funzioni digitali e i segnali di trasmissione e ricezione di ogni unità antenna sono controllabili, quindi ha anche un'ampia copertura della larghezza di banda. Poiché l'elaborazione a livello di unità e il successivo beamforming sono entrambi digitali, possono essere ricostruiti e ottimizzati per diversi scenari applicativi. La digitalizzazione a livello di unità apre le porte a nuove soluzioni per la lavorazione del fascio e la formatura del fascio e offre la massima flessibilità grazie alla gamma regolabile dinamica senza precedenti in sistemi di grandi dimensioni. Ad esempio, dato che gli elementi dell'antenna M e il rumore tra gli elementi non è correlato, il rapporto segnale-rumore del sistema è migliorato di 10 log(M). Tuttavia, ciò è accompagnato da rischi tecnici intrinseci e sfide pratiche, come la quantità di dati da elaborare e l'uso di ricetrasmettitori semplici.

La figura 3 mostra tre esempi di sistemi PAR interamente digitali. L'immagine più a sinistra nella Figura 3 raffigura diversi tipici fasci ad alta sensibilità e diversi fasci a bassa priorità, necessari per raccogliere informazioni importanti in un'area. L'immagine al centro della Figura 3 mostra un esempio di multiplessing spazio-temporale, attraverso il quale è possibile raccogliere più insiemi di campioni indipendenti dall'area di monitoraggio; in questo modo, è possibile utilizzare meno campioni per raccogliere dati. Poiché il filtraggio spaziale adattivo può essere ottenuto da un array phased (phased array)4, ciò dimostra notevolmente la correttezza di utilizzare un array phased su una tipica antenna parabolica. Infine, l'immagine più a destra della Figura 3 descrive come il dimostratore mobile utilizzerà l'esperienza di imaging del team per ottenere scansioni batch veloci.8

Per qualsiasi radar multi-task in futuro, la realizzazione simultanea di più funzioni è l'unico modo per soddisfare i requisiti di missione su un determinato asse temporale. Pertanto, è essenziale realizzare la flessibilità del beamforming avanzato attraverso la digitalizzazione. Inoltre, questo metodo può implementare altre attività nell'intero ciclo di vita del PAR digitale attraverso aggiornamenti software piuttosto che costose trasformazioni hardware, risparmiando così molti costi operativi e di manutenzione. La prossima parte fornirà una panoramica dello sviluppo del PAR dual-polarization in banda S che è in fase di progettazione e produzione presso ARRC. Il PAR a doppia polarizzazione della banda S raggiungerà questi obiettivi. Questo sistema si chiama Horus. Ha un ricetrasmettitore digitale per ogni polarizzazione e ogni elemento antenna. Diventerà un valido strumento di ricerca per valutare i vantaggi e le sfide di questo metodo.

Concetto di progettazione radar Horus

ARRC sta attualmente sviluppando un sistema phased array dual-polarized dual-polarized mobile in banda S. Il sistema ha un'architettura interamente digitale, composta da 1024 unità di antenna dual-polarizzata, suddivise in 25 pannelli 8*8 (16 dei quali sono dotati di dispositivi elettronici), come mostrato nella Figura 4. Ogni pannello è dotato di otto "OctoBlade", quasi tutta l'elettronica radar è situata in esso. Ogni OctoBlade è accuratamente progettato per eccitare la colonna a 8 elementi della matrice di antenne ad alte prestazioni nel pannello e raggiungere uno stato di polarizzazione quasi ideale sul piano principale. Il piano principale è costituito da una piastra di raffreddamento metallica (tubo di trasferimento del calore) con un PCB su ogni lato per ospitare un totale di 16 front end basati su GaN (ogni unità, ogni polarizzazione> 10W), otto dei quali sono due dispositivi analogici Ricetrasmettitore digitale Channel, quattro FPGA front-end per l'elaborazione e due FPGA per il controllo. L'assemblaggio del sottosistema antenna e dei relativi componenti elettronici possono essere classificati in una delle seguenti tre architetture principali: gruppo patch conforme, gruppo pannello (con OctoBlade scorrevole) o struttura indipendente separata da cavi (figura 4). Un design con OctoBlade scorrevole richiede i costi di manutenzione più bassi perché questi componenti elettronici sono facilmente sostituibili a caldo. Questa comoda funzione è perfetta per i sistemi di fondazione che richiedono decenni di vita utile.

Generalmente, le prestazioni di un grande array dipendono dalla struttura di interconnessione digitale dietro l'array. Attualmente viene utilizzata la topologia gerarchica tradizionale, ma alcune delle loro caratteristiche, come scalabilità, flessibilità e larghezza di banda, sono limitate. Ad esempio, alcuni array utilizzano una topologia mesh. Quando si utilizza una topologia mesh, l'onere sul canale centrale è pesante. La soluzione a questa situazione consiste nell'aggiungere router alla rete mesh o utilizzare una topologia ad anello. Questa topologia dell'anello ha simmetria sui router sul lato opposto, che può ridurre la congestione inutile con un piccolo aumento delle risorse. Ma ci sono ancora molti problemi irrisolti. Riteniamo che i tre problemi principali siano: il meccanismo di trasmissione dati (es RapidIO, Gigabit Ethernet, ecc.), il grado di beamforming parziale, e la topologia del percorso dati (es, struttura gerarchica, ecc.). Un buon equilibrio di questi problemi permetterà di espandere facilmente le dimensioni dell'array per soddisfare vari compiti.

Il radar ordinario di Horus viene inserito nella parte posteriore del pannello attraverso la rete RapidIO per completare il beamforming digitale. Ciò consentirà il prodotto del fascio-larghezza di banda di un sistema PAR concettualmente multifunzionale (come un fascio a 200 MHz in un intervallo dinamico appropriato). Il beamformer gerarchico riduce il numero di flussi di dati a ciascun livello della struttura gerarchica ed esegue ponderazione e aggregazione parziali nel processo. Anche il beamformer a impulsi è simile, ma invece di riassumere i dati in una data fase, invia dati lungo una serie di nodi o unità. Parte dei dati del fascio è riassunta in questo processo per essere utilizzata nelle fasi successive di lavorazione. Uscita. Quasi ogni array digitale di medie dimensioni conosciuto dall'autore utilizza una qualche forma di elaborazione a strati/impulsi per implementare un front end digitale. È importante sottolineare che, a differenza degli array analogici, l'uso del beamforming stratificato / pulsato può bilanciare il numero di fasci con la larghezza di banda del segnale nel dominio digitale, in modo che il prodotto fisso complessivo della larghezza di banda del fascio rimane approssimativamente costante in ogni punto della catena di elaborazione front-end.

Per una struttura multi-livello, il costo di interconnessione è proporzionale al logaritmo del numero di unità M, e l'elaborazione dei dati e front-end sono approssimativamente linearmente proporzionali a M. Entrambi sono proporzionali alla larghezza di banda dell'intero sistema. Questi tipi di considerazioni hanno un significato guida per la progettazione di qualsiasi architettura DBF front-end nei compromessi di calibrazione, beamforming e adattamento. Alla fine RapidIO può supportare qualsiasi architettura di rete, come ad esempio un anello piegato può ridurre la latenza e migliorare l'affidabilità, che sarà esplorato in futuro.

La figura 5 mostra i risultati delle misurazioni di laboratorio del dimostratore mobile9. Questa antenna dual-polarizzata phased array attiva completamente digitale è progettata per controllare completamente la trasmissione e la ricezione dei segnali di ogni unità antenna. Rispetto all'antenna parabolica WSR-88D, il design dell'antenna del progetto ARRC si concentra sul raggiungimento della stessa funzione o sul miglioramento delle prestazioni. Dato che le missioni meteorologiche hanno requisiti di polarizzazione più elevati rispetto alle missioni di sorveglianza degli aerei in termini di riconoscimento degli obiettivi, queste specifiche di progettazione sono cruciali. Il radar a doppia polarizzazione richiede sia un basso livello di polarizzazione incrociata (inferiore a -40dB) che un modello ben abbinato (inferiore a 0,1dB) per determinare con successo la variabile di polarizzazione dell'atmosfera scansionata.

Generalmente, man mano che il livello di polarizzazione incrociata di un'antenna aumenta, tutte le deviazioni nella variabile di polarizzazione aumentano. Durante la progettazione PCB dell'array 8 * 8, molti elementi nell'unità antenna sono stati studiati. Questi elementi includono: soppressione della diffrazione dei bordi; larghezza di banda con una frequenza centrale di 2,8 GHz oltre il 10%; l'isolamento tra le porte è di circa -50dB; Nell'intervallo di scansione, il livello di polarizzazione trasversale è inferiore a -45dB e la disallineazione di co-polarizzazione è inferiore a 0.1dB all'interno della gamma di scansione dell'angolo di passo ±10º. Dopo un'attenta calibrazione, il coefficiente di riflessione attiva di almeno -10dB può essere ottenuto per l'intervallo di scansione dell'angolo di azimut ±60º e l'intervallo di scansione dell'angolo di elevazione ±10º. Pertanto, questo ha progettato un nuovo tipo di radiatore a microstrappo incrociato impilato con accoppiamento elettromagnetico per Horus. L'immagine più a sinistra nella figura 5 è un pannello 8 * 8 di questi radiatori. Il radiatore e la rete di alimentazione sono divisi in due parti diverse per impedire loro di piegarsi dopo la produzione. Il radiatore è costituito da due strati conduttivi e un radome legato da RT/Duroid 5880LZ e RO4450F.