IC基板 - フルディジタル位相制御アレイレーダ試験プラットフォーム

レーダーPCB革命は過去15年間、ARRCが米国の国家多機能フェーズアレイレーダー（MPAR）プロジェクトに参加し、続いて米国の国家監視レーダースペクトル効率（SENSER）プロジェクトであり、このプロジェクトは最初に米国連邦航空管理局（FAA）が開発した）、国防総省（DoD）、国土安全保障省（DHS）、国家海洋大気管理局（NOAA）。そのため、ARRCは、天候と遠隔航空機スキャンのニーズに対応するために拡張可能なSバンド全デジタル偏光位相制御アレイを研究している。アレイはまた、MIMOおよび従来の通信を含む他の重要な動作をサポートする。

柔軟なビーム制御と多機能実装により、効率的でコスト効率の高いソリューションを提供するため、フェーズアレイをマルチタスクレーダシステムの最適な選択肢にすることができます。GaAs、SiGe、CMOS、PCB技術の進歩は信頼性が高く、高度に集積された無線周波数デバイスを提供し、位相アレイアンテナを現代のリモートセンシングと通信技術の核心にした。高度に統合され効率的なデバイスにより、フェーズアレイアンテナアーキテクチャに複数のトランシーバを含めることができます。これらのデバイスは、アナログビーム形成器のみを用いた前世代のフェーズアレイアンテナと比較して、コストを削減し、フェーズアレイのコストを削減することができる。サイズと重量、およびシステム機能の最適化とシステム性能の向上のために、5 Gはもちろんこのフェーズアレイ技術を使用します。アナログビーム形成を用いたアレイは、フロントエンドビーム形成電子機器を正確に設置することにより実現できるビーム形成スキームに限定されることは言うまでもない。

現在、サブアレイレベルでデジタルビーム形成（DBF）を使用することは、フェーズアレイレーダの柔軟性を高めるための一般的な方法である。これは、米国海洋大気管理局国立強嵐研究所（NSSL）とマサチューセッツ州立大学（UMass）雷神低出力レーダー（ie Skyler）が運営する76パネルの先進技術デモ機（ATD）が証明できる。しかし、セルレベルDBFアーキテクチャへの移行は、これまでにない機能を実現します。例えば、オーストラリアのCEA-FAR海軍レーダー、アメリカ海軍のFlexDAR 2レーダー、イスラエルのEltaのMF-STAR、AFRLのBEEMER（MIMO実験レーダーアンテナユニットのベースバンドデジタル化）、宇宙フェンス。また、各アンテナユニットのデジタル化により、分極を正確に制御することができ、純粋なH分極またはV分極を制御することができ、HとV分極を45度に制御することができ、LHC、RHC、またはいずれかに制御することができます。分極状態

デジタルアレイ技術は新しい研究方向である。作戦能力発展司令部陸軍研究実験室（CCDC ARL）の重要な貢献の1つは、強力なアレイ較正技術の開発である。混雑環境における位相制御アレイレーダの動作は、レーダを保護するための措置及び動的環境におけるキャリブレーション動作の継続性に大きく依存する。ファクトリキャリブレーションはデジタルアレイでは十分ではないため、計算効率の面でも優れた強力なオンサイトキャリブレーション技術が必要です。OUとCCDC ARLは、動的キャリブレーション問題を解決するために相互結合に基づくキャリブレーション技術を開発している。CCDC ARLは概念検証実験を行っており、セルレベルデジタルアレイ実験室試験システムを用いて初期アルゴリズムの性能を定量化している。将来的には、CCDC ARLはこれらのテクノロジーを最適化してより広い帯域幅パフォーマンスを実現し、大規模アレイのスケーラビリティとラボのテストプラットフォーム以外の運用環境への適用性に焦点を当てます。

完全なデジタルアーキテクチャ

標準打数での二重分極の実現には挑戦的であることが証明されているが、最近ではATD 6マサチューセッツ工科大学リンカーン研究所のSバンドコントロールパネル、BCI/LMCOのSバンドプロトタイプ、NCARのCバンド機搭載位相制御レーダシステム、マサチューセッツ大学のXバンドレーダ、OUのSバンド円筒偏光位相制御レーダ（CPPAR）デモンストレーション7など、米国国立科学財団（NSF）が主催するレーダ技術交流シンポジウムが大きな進展を遂げている。「スポットライト」動作の時間分解能を高めるため、ARRCは数年前、図1に示すように、単偏光Xバンド大気イメージングレーダー（AIR）を生産した。AIRは「洪水」モードで動作し、20度垂直扇形ビームを送信し、36個の受信アレイを用いて大規模なデジタルビーム形成を行う。言い換えれば、レーダによって測定される距離高さインジケータ（RHI）は、電磁カメラによる撮影と同様に同時に形成されてもよい。このアーキテクチャは、20度／秒方位角機械的走査と組み合わせて、既存のAIRが約9秒以内に180＊20度の範囲の情報を収集することを可能にする。そのため、これも世界で竜巻の成因観測の最高解像度である。8.洪水分解能を有する別の類似システムは、大阪大学のXバンド標準打数である。

これらの先進的なイメージング監視動作モードは、複数のデジタル化サブアレイチャネルを必要とする。デジタル化レベルの向上により、適応デジタルビーム形成（ADBF）、時空適応処理（STAP）、さらにはMIMO動作モードも可能になる。理想的な位相制御アレイアーキテクチャは、各アンテナ要素の送信信号および受信信号が制御可能であるため、広帯域カバレッジも有するデジタル機能を有する。セルレベル処理と後続のビーム形成はデジタルであるため、異なるアプリケーションシーンに対して再構築と最適化を行うことができる。セルレベルのデジタル化は、新しいビーム処理とビーム形成ソリューションのための扉を開き、大規模なシステムでは前例のない動的な調整可能な範囲を通じて最大の柔軟性を提供します。例えば、M個のアンテナ素子を与えると、素子間のノイズは相関せず、システムの信号対ノイズ比は10 log（M）向上する。しかし、これには、処理する必要があるデータ量や複雑でないトランシーバの使用など、固有の技術的リスクと実際の課題が伴います。

図3は、全デジタル・標準打数システムの3つの例を示している。図3の左端の画像は、1つの領域で重要な情報を収集するために必要ないくつかの典型的な高感度ビームといくつかの低優先度ビームを描いている。【図3】図3の中間の画像は、監視領域から複数の独立したサンプルを収集することができる時空多重化の例を示している。これにより、より少ないサンプルを使用してデータを収集することができます。位相制御アレイは適応空間フィルタリング4を実現できるため、これは典型的な放物面アンテナにおける位相制御アレイの使用の正確性を大いに証明した。最後に、図3の最も右側の画像は、チームのイメージング専門知識を利用して高速一括スキャン8を実現するためにモバイルプレゼンテーション者がどのように利用するかを示している。

将来のマルチタスクレーダについては、同時に複数の機能を実現することが、与えられた時間軸上でタスク要件を満たす唯一の方法である。そのため、デジタル化による先進的なビーム形成の柔軟性を実現することが重要である。さらに、この方法は、高価なハードウェア改造ではなくソフトウェアのアップグレードによって、デジタル標準打数のライフサイクル全体における他のタスクを実現することができ、大量の運用コストとメンテナンスコストを節約することができます。次のセクションでは、ARRCが設計および製造しているSバンドの二重分極標準打数の発展について概説します。これらの目標は、S帯域二重分極標準打数によって達成される。このシステムはホルスと呼ばれています。各偏光および各アンテナ要素のためのデジタルトランシーバがあります。この方法の利点と課題を評価する価値のある研究ツールになります。

ホルスレーダーの設計理念

ARRCは現在、モバイルSバンド二重分極位相制御アレイシステムを開発している。このシステムは全デジタルアーキテクチャを採用し、1024個の二重偏光アンテナユニットから構成され、図4に示すように25個の8*8パネル（うち16個は電子機器を搭載）に分けられる。各パネルには8つの「OctoBlade」が装備されており、ほとんどのレーダー電子機器がその中に位置している。各OctoBladeは、パネル内の高性能アンテナアレイの8セルカラムを励起し、主平面上で理想的な偏光状態に近い状態を実現するように設計されている。主平面は金属冷却板（伝熱管）で構成され、各側にはPCBが1つあり、合計16個のGaNベースフロントエンド（各ユニット、各分極＞10 W）を収容できる。8個はデュアルアナログデバイスチャネルデジタルトランシーバ、4個の処理用フロントエンドFPGA、2個の制御用FPGAである。アンテナサブシステムおよびその関連する電子部品の組み立ては、共形パッチアセンブリ、パネルアセンブリ（スライドアウト付きOctoBlade）、またはケーブルで分離された独立した構造の3つの主要なアーキテクチャの1つに分けることができる（図4）。スライドアウト式OctoBladeの設計には、これらの電子部品がホットスワップしやすいため、最小のメンテナンスコストが必要です。この便利な機能は、数十年の使用寿命を必要とする基幹システムに最適です。

一般的に、大規模アレイのパフォーマンスは、アレイの背後にあるデジタル相互接続構造に依存します。現在は従来の階層型トポロジを使用していますが、拡張性、柔軟性、帯域幅などのいくつかの特性が制限されています。たとえば、一部のアレイではメッシュトポロジが使用されています。ネットワークトポロジを使用する場合、中心チャネルの負担が大きい。これにより、ネットワークの中心領域が混雑することがよくあります。これを解決する方法は、ネットワークにルータを追加するか、リングトポロジを使用することです。このようなリングトポロジは、対向するルータ上で対称性があり、リソースがわずかに増加した場合に不要な混雑を減らすことができます。しかし、まだ解決されていない問題がたくさんあります。3つの主な問題は、データ伝送メカニズム（RapidIO、ギガビットイーサネットなど）、部分ビーム形成の程度、データパストポロジ（階層構造など）であると考えられています。これらの問題のバランスがとれていることで、アレイのサイズを容易に拡張でき、さまざまなタスクに対応できます。

Horusの通常のレーダはRapidIOネットワークを介してパネル後部に供給され、デジタルビーム形成を完了する。これにより、概念的な多機能標準打数システムのビーム帯域幅積（例えば、適切なダイナミックレンジ内の200 MHzビーム）が実現される。階層ビーム形成器は、階層構造の各階層のデータストリーム数を低減し、この過程で部分重み付けと重合を実行する。パルスビーム形成器も同様であるが、所与の段階でデータを集約するのではなく、一連のノードまたはセルに沿ってデータを送信する。このプロセスでは、後続の処理段階で使用するためのビームデータの一部がまとめられています。出力。著者らが知るほとんどの中型デジタルアレイは、デジタルフロントエンドを実現するために何らかの形の階層／パルス処理を使用している。重要なことは、アナログアレイとは異なり、階層／パルスビーム形成を使用することで、デジタル領域においてビーム数と信号帯域幅をバランスさせることができ、固定された総ビーム帯域幅積をフロントエンド処理チェーンの各点においてほぼ一定に保つことができる。

多段構造では、相互接続コストはユニット数Mの対数に比例し、データとフロントエンド処理はほぼMに線形に比例する。どちらもシステム全体の帯域幅に比例する。これらのタイプの考慮は、任意のフロントエンドDBFアーキテクチャの設計に対して、キャリブレーション、ビーム形成、および適応のトレードオフにおいて指導的意義を有する。最後に、RapidIOは、折りたたみリングなどのネットワークアーキテクチャをサポートすることができ、遅延を低減し、信頼性を高めることができ、将来的に探索されることになります。

図5は、モバイルプレゼンテーション9の実験室測定結果を示す。このような全デジタル能動二重偏光位相制御アレイアンテナは、各アンテナ要素の送信信号及び受信信号を完全に制御することを目的とする。WSR-88 Dパラボラアンテナと比較して、ARRCプロジェクトのアンテナ設計は同じ機能の実現や性能の向上に重点を置いている。これらの設計仕様は、気象タスクが目標識別の面で偏光に対する要求が航空機監視タスクよりも高いことを考慮して重要である。二重偏光レーダは、走査大気の偏光変数を決定するのに成功するには、低交差偏光レベル（−40 dB未満）と良好に整合したモード（0.1 dB未満）が必要である。

一般に、偏光変数のすべての偏差は、アンテナの交差偏光レベルが増加するにつれて増加する。8*8アレイのPCB設計過程において、アンテナユニット中の多くの要素について研究を行った。これらの要素には、エッジ回折抑制、中心周波数が2.8 GHzの帯域幅は10%を超え、ポート間の分離度は約-50 dB、方位角±60ºは走査範囲内にあり、ピッチ角±10ºの走査範囲内の交差分極レベルは-45 dB未満、共分極不一致は0.1 dB未満である。注意深く較正すると、方位角±60ºと仰角±10ºの走査範囲内で、少なくとも−10 dBの活性反射係数を得ることができる。そこで、本文はHorusのために新しい電磁結合を持つ積層交差マイクロテープパッチ放射器を設計した。図5の左端の画像は、これらのヒートシンクの8*8パネルです。ヒートシンクと給電ネットワークは、製造後に曲がるのを防ぐために2つの異なる部分に分かれています。ヒートシンクは2つの導電層と1つのアンテナカバーからなり、アンテナカバーはRT/Duroid 5880 LZとRO 4450 Fが接着されています。