IC 기판 - 전체 디지털 위상 배열 레이더 테스트 플랫폼

레이더 PCB 혁명으로 지난 15년간 ARRC는 미국 연방항공청(FAA)이 처음 개발한 미국 국가감시레이더스펙트럼효율(SENSER) 프로젝트인 미국 국가다목적위상배열레이더(MPAR) 프로젝트에 참여했다.국방부(DoD), 국토안보부(DHS), 미국 국립해양대기청(NOAA).이에 따라 ARRC는 날씨 및 장거리 항공기 스캔 수요를 충족시키기 위해 확장 가능한 S밴드 전체 디지털 편광 위상배열을 개발하고 있다.이 어레이는 또한 MIMO 및 레거시 통신을 포함한 기타 중요한 작업을 지원합니다.

유연한 빔 제어 및 다기능 구현은 효율적이고 비용 효율적인 솔루션을 제공하기 때문에 위상 배열을 멀티태스킹 레이더 시스템의 최상의 후보자로 만듭니다.GaAs, SiGe, CMOS 및 PCB 기술의 진보는 신뢰할 수 있고 고도로 통합된 RF 장비를 제공하여 위상 배열 안테나를 현대 원격 탐지 및 통신 기술의 핵심으로 만듭니다.고도로 통합되고 효율적인 장치를 통해 위상 배열 안테나 아키텍처에 여러 트랜시버가 포함될 수 있습니다.아날로그 빔 형성기만 사용하는 이전 세대의 위상 배열 안테나에 비해 이러한 장비는 비용을 절감하고 위상 배열의 비용을 절감할 수 있습니다.크기와 무게의 경우 시스템 기능을 최적화하고 시스템 성능을 향상시키기 위해 5G는 당연히 이런 위상배열 기술을 사용한다.아날로그 빔 성형을 사용하는 어레이는 당연히 전면 빔 성형 전자 부품을 정확하게 설정하여 실현할 수 있는 빔 성형 방안에 국한된다.

현재 서브어레이급에서 디지털빔형성(DBF)을 사용하는 것은 위상배열 레이더의 유연성을 높이는 데 자주 사용되는 방법이다.미국 국립해양대기청 국립심각폭풍실험실 (NSSL) 과 매사추세츠주립대 (UMass) 토르사의 저전력 레이더 (Skyler) 가 운영하는 76패널 선진기술시연기 (ATD) 가 이를 증명할 수 있다.그러나 유닛급 DBF 아키텍처로의 전환은 전례 없는 기능을 구현할 것입니다.예를 들어, 호주의 CEA-FAR 해군 레이더, 미 해군의 FlexDAR 레이더 2, 이스라엘의 Elta's MF-STAR, AFRL's BEEMER (MIMO 실험 레이더 안테나 유닛의 베이스밴드 디지털화) 및 우주 울타리입니다.또한 각 안테나 유닛의 디지털화를 통해 사람들은 극화를 정확하게 제어할 수 있으며 순수 H 극화 또는 V 극화를 제어하거나 H 및 V 극화를 45도 및 LHC, RHC 또는 둘 중 하나로 제어할 수 있습니다.극화 상태.

디지털 어레이 기술은 새로운 연구 방향이다.작전 능력 개발 사령부 육군 연구 연구소 (CCDC ARL) 의 중요한 기여는 강력한 어레이 교정 기술을 개발했다는 것입니다.위상배열 레이더의 혼잡한 환경에서의 운행은 레이더를 보호하는 조치와 동적 환경에서의 교정 작업의 지속성에 크게 달려 있다.디지털 어레이의 경우 공장 교정이 부족하기 때문에 강력한 현장 교정 기술이 필요하며 이는 컴퓨팅 효율성 측면에서도 장점이 있습니다.OU 및 CCDC ARL은 동적 교정 문제를 해결하기 위해 상호 결합 기반 교정 기술을 개발하고 있습니다.CCDC ARL은 유닛급 디지털 어레이 랩 테스트 시스템을 사용하여 초기 알고리즘의 성능을 계량화하는 개념 검증 실험을 진행하고 있다.앞으로 CCDC ARL은 이러한 기술을 최적화하여 대역폭 성능을 더욱 넓힐 것이며, 대규모 어레이의 확장성과 실험실 테스트 플랫폼 이외의 운영 환경에 대한 적합성에 초점을 맞출 것이다.

완전한 디지털 아키텍처

표준 타수에서 양극화를 실현하는 것이 도전적이라는 사실이 입증되었지만, 최근 미국 국립과학재단 (NSF) 이 주최한 레이더 기술 교류 세미나는 ATD6 MIT 링컨 연구소의 S 밴드 컨트롤 패널, BCI/LMCO의 S 밴드 프로토타입, NCAR의 C 밴드 탑재 위상배열 레이더 시스템,매사추세츠 대학의 X-밴드 레이더와 OU의 s-밴드 원통형 극화 위상배열 레이더 (CPPAR) 시연기 7.ARRC는 스폿라이트 조작의 시간 해상도를 높이기 위해 몇 년 전 그림 1과 같이 단극화된 X-밴드 대기 영상 레이더 (AIR) 를 생산했다.AIR는 20도 수직 부채꼴 빔을 발사하고 36개의 수신 어레이를 사용하여 대규모 디지털 빔을 형성하는'침수'모드로 작동한다.다시 말해서, 레이더가 측정하는 거리 고도 표시기 (RHI) 는 전자기 카메라로 사진을 찍는 것과 유사하게 동시에 형성될 수 있다.20도/초 방위각 기계 스캔과 결합된 이 아키텍처를 통해 기존 AIR는 약 9초 이내에 180 * 20도 범위의 정보를 수집할 수 있습니다.따라서 이는 세계에서 토네이도 원인 관측의 최고 해상도이기도 하다.8.홍수 해상도를 갖춘 또 다른 유사한 시스템은 오사카 대학의 X 밴드 표준 타수입니다.

이러한 고급 이미징 모니터링 모드에는 여러 개의 디지털 하위 어레이 채널이 필요합니다.디지털 수준의 향상은 또한 적응형 디지털 빔 형성 (ADBF), 시공간 적응형 처리 (STAP) 심지어 MIMO 조작 모드를 가능하게 할 것이다.이상적인 위상 배열 아키텍처는 디지털 기능을 갖추게 될 것이며, 각 안테나 유닛의 송신과 수신 신호는 모두 제어할 수 있기 때문에 넓은 대역폭 커버리지도 가지고 있다.단원급 처리와 후속 빔형 청두는 디지털화되었기 때문에 서로 다른 응용 장면에 대해 재구성하고 최적화할 수 있다.유닛급 디지털화는 새로운 빔 처리 및 빔 형성 솔루션의 문을 열고 대형 시스템에서 전례 없는 동적 조정 가능 범위를 통해 최대의 유연성을 제공합니다.예를 들어, 지정된 M개의 안테나 컴포넌트가 있고 컴포넌트 간의 노이즈는 관련되지 않으며 시스템의 신호 노이즈는 10log(M) 향상됩니다.그러나 이것은 처리해야 할 데이터의 양과 간단한 트랜시버를 사용하는 것과 같은 고유한 기술적 위험과 실제 도전을 수반한다.

그림 3은 전체 숫자 표준 핀 수 시스템의 세 가지 예를 보여 줍니다.그림 3의 맨 왼쪽 이미지는 영역의 중요한 정보를 수집하는 데 필요한 일반적인 고감도 빔과 낮은 우선 순위 빔을 보여 줍니다.그림 3의 중간에 있는 그림은 시공간 재사용의 한 예시를 보여주는데, 이 예시를 통해 모니터링 구역에서 여러 조의 독립 샘플을 수집할 수 있다;이렇게 하면 더 적은 수의 샘플을 사용하여 데이터를 수집할 수 있습니다.적응형 공간 필터는 위상 배열 4를 통해 구현할 수 있기 때문에 일반적인 포물면 안테나에서 위상 배열을 사용하는 것이 정확하다는 것을 크게 증명합니다.마지막으로, 그림 3의 맨 오른쪽 이미지는 모바일 데모가 팀의 이미징 전문 지식을 활용하여 빠른 대량 스캔을 수행하는 방법을 보여줍니다.

미래의 어떤 멀티태스킹 레이더에 대해서도 여러 가지 기능을 동시에 실현하는 것은 정시 간축에 임무 요구를 만족시킬 수 있는 유일한 방법이다.따라서 디지털화를 통해 첨단 빔 형성의 유연성을 실현하는 것이 중요하다.또한 이 접근 방식은 값비싼 하드웨어 변경이 아닌 소프트웨어 업그레이드를 통해 전체 수명 주기 동안 디지털 표준 스틱의 다른 작업을 수행할 수 있으므로 운영 및 유지 관리 비용을 크게 절감할 수 있습니다.다음 섹션에서는 ARRC가 설계 및 제조하고 있는 S 밴드 양극화 표준 타수의 발전을 요약합니다.S 밴드 양극화 표준 타수는 이러한 목표를 달성할 것이다.이 시스템은 호러스라고 불린다.각 극화 및 각 안테나 컴포넌트에는 디지털 트랜시버가 있습니다.이 접근 방식의 이점과 과제를 평가하는 것은 가치 있는 연구 도구가 될 것입니다.

Horus 레이더 설계 철학

ARRC는 현재 모바일 S밴드 양극화 위상배열 시스템을 개발하고 있다.이 시스템은 전체 디지털 아키텍처로 1024개의 양극화 안테나 유닛으로 구성되어 있으며, 그림 4와 같이 25개의 8 * 8 패널 (그 중 16개의 패널에 전자 장치가 장착되어 있음) 으로 나뉜다.각 패널에는 8개의 "OctoBlade"가 장착되어 있으며 거의 모든 레이더 전자 장치가 그 안에 있습니다. 각 OctoBlades는 패널의 고성능 안테나 어레이의 8 요소 열을 자극하고 주 평면에서 거의 이상적인 극화 상태를 구현하도록 설계되었습니다.메인 평면은 이중 아날로그 장치 채널 디지털 트랜시버, 프로세싱용 프런트엔드 FPGA 4개, 제어용 FPGA 2개 등 총 16개의 GaN 베이스 프런트엔드를 수용할 수 있는 금속 냉각판 (전열관) 으로 구성되어 있다.안테나 서브시스템과 관련 전자 부품의 구성 요소는 다음과 같은 세 가지 주요 구조 중 하나로 나눌 수 있다: 공형 패치 구성 요소, 패널 구성 요소(슬라이드 아웃 OctoBlade 포함) 또는 케이블로 구분된 독립 구조 (그림 4).슬라이드아웃 방식의 OctoBlade 설계는 핫스왑이 쉽기 때문에 유지 관리 비용이 가장 적게 듭니다.이 편리한 기능은 수십 년의 수명을 필요로 하는 기본 시스템에 적합합니다.

일반적으로 대규모 어레이의 성능은 어레이 뒤의 디지털 연결 구조에 따라 달라집니다.기존 계층형 토폴로지는 현재 사용되고 있지만 확장성, 유연성 및 대역폭과 같은 일부 기능이 제한되어 있습니다.예를 들어, 일부 패턴은 메쉬 토폴로지를 사용합니다.메쉬 토폴로지를 사용할 때 중심 채널의 부담이 큽니다.이는 일반적으로 네트워크 중심 영역의 정체를 초래합니다.이 문제를 해결하는 방법은 메쉬 네트워크에 라우터를 추가하거나 루프 토폴로지를 사용하는 것입니다.이 루프 토폴로지는 대칭 측면의 라우터에서 대칭적이며 자원을 약간 늘릴 경우 불필요한 혼잡을 줄일 수 있습니다.그러나 여전히 해결되지 않은 문제가 많다.세 가지 주요 문제는 데이터 전송 메커니즘 (즉, RapidIO, 기가비트 이더넷 등), 일부 빔 형성 정도, 데이터 경로 토폴로지 (즉, 계층 구조 등) 입니다. 이러한 문제의 균형을 잘 맞추면 스토리지 크기가 다양한 작업에 맞게 쉽게 확장될 수 있습니다.

Horus의 일반 레이더는 RapidIO 네트워크를 통해 패널 뒷면에 피드백되어 디지털 빔 형성을 완료합니다.이렇게 하면 개념적으로 다기능 표준 핀 수 시스템의 빔 대역폭 곱하기 (예: 적절한 동적 범위의 200MHz 빔) 가 구현됩니다.계층형 빔 형성기는 계층 구조의 각 레벨에 대한 데이터 흐름 수를 줄이고 이 과정에서 부분 가중치 부여 및 집계를 수행합니다.펄스 빔 형성기도 비슷하지만 주어진 단계에서 데이터를 집계하는 것이 아니라 일련의 노드나 유닛을 따라 데이터를 보냅니다.이 과정에서 일부 빔 데이터를 요약하여 후속 처리 단계에서 사용할 수 있도록 합니다.출력저자가 알고 있는 거의 모든 중형 디지털 어레이는 디지털 프런트엔드를 구현하기 위해 계층형 / 펄스 프로세싱을 사용합니다.중요한 것은 아날로그 어레이와 달리 계층/펄스 빔 성형의 사용은 디지털 도메인에서 빔 수와 신호 대역폭의 균형을 이룰 수 있으며, 따라서 고정된 총 빔 대역폭은 프런트엔드 처리 체인의 각 점에 곱하여 근사 항정을 유지할 수 있다.

다중 레벨 구조의 경우 연결 비용은 유닛 수 M의 대수에 비례하고, 데이터 및 프런트엔드 처리는 M에 비례합니다. 둘 다 전체 시스템의 대역폭에 비례합니다.이러한 유형의 고려 사항은 교정, 빔 형성 및 적응형 저울질에서 프런트엔드 DBF 아키텍처의 설계에 대한 지침을 제공합니다.결국 RapidIO는 모든 네트워크 아키텍처를 지원할 수 있습니다. 예를 들어 접힌 루프는 지연을 줄이고 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다. 이는 앞으로 탐색될 것입니다.

그림 5는 모바일 데모 9의 실험실 측정 결과를 보여 줍니다.이 전체 디지털 액티브 양극화 위상 배열 안테나는 각 안테나 유닛의 송신 및 수신 신호를 완전히 제어하도록 설계되었습니다.ARRC 프로젝트의 안테나 설계는 WSR-88D 포물면 안테나에 비해 동일한 기능을 구현하거나 성능을 향상시키는 데 중점을 두고 있다.기상 임무가 목표 식별 방면에서 극화에 대한 요구가 비행기 감시 임무보다 높다는 것을 감안할 때, 이러한 설계 규범은 매우 중요하다.양극화 레이더는 대기 스캔의 극화 변수를 성공적으로 결정하기 위해 낮은 교차 극화 수준 (-40dB 미만) 과 잘 일치하는 모드 (0.1dB 미만) 가 필요합니다.

일반적으로 안테나의 교차 극화 수준이 증가함에 따라 극화 변수의 모든 편차가 증가합니다.8 * 8 어레이의 PCB 설계 과정에서 안테나 유닛의 많은 컴포넌트를 연구했습니다.이러한 요소에는 가장자리 회절 억제,중심 주파수 2.8GHz의 대역폭은 10% 이상입니다.포트 간 격리도는 약 -50dB입니다.방위각 ± 60º 는 스캐닝 범위 내, 푸시앵글 ± 10º 의 스캐닝 범위 내 교차 극화 전평은 -45dB 이하, 공극화 실배는 0.1dB 이하이다.정밀 교정을 통해 방위각 ± 60º 및 앙각 ± 10º의 스캔 범위 내에서 최소 -10dB의 유원 반사 계수를 얻을 수 있다.그러므로 이 글은 Horus를 위해 전자기결합을 갖춘 신형의 첩층교차마이크로밴드패치복사기를 설계하였다.그림 5의 맨 왼쪽 그림은 이러한 히트싱크의 8 * 8 패널입니다.히트싱크와 송전 네트워크는 제조 후 구부러지지 않도록 서로 다른 두 부분으로 나뉩니다.히트싱크는 2개의 전도성 레이어와 RT/Duroid 5880LZ 및 RO4450F가 접착된 안테나 커버로 구성됩니다.