Подложка ИС - платформа для испытания радиолокатора на цифровую фазированную решетку

Революция в области радиолокационных печатная плата

В течение последних 15 лет ARRC принимал участие в реализации национального проекта США по созданию многофункционального радара с фазированной антенной решеткой (MPAR), а затем проекта по повышению эффективности использования спектра радаров наблюдения (SENSER), который первоначально был разработан Федеральным управлением гражданской авиации (FAA). ), Министерством обороны (DoD), Министерством внутренней безопасности (DHS) и Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA). Поэтому ARRC работает над созданием масштабируемой полностью цифровой поляризованной фазированной решетки S-диапазона для удовлетворения потребностей метеорологии и дальнего сканирования самолетов. Массив также будет поддерживать другие важные операции, включая MIMO и обычную связь.

Гибкое управление лучом и многофункциональная реализация делают фазированную решетку лучшим кандидатом для многозадачных радиолокационных систем, поскольку она представляет собой эффективное и экономичное решение. Развитие технологий GaAs, SiGe, CMOS и PCB позволило создать надежные, высокоинтегрированные радиочастотные устройства, которые делают фазированные антенные решетки основой современных технологий дистанционного зондирования и связи. Высокоинтегрированные и эффективные устройства позволяют использовать в архитектуре фазированных антенных решеток несколько приемопередатчиков. По сравнению с фазированными антенными решетками предыдущего поколения, в которых использовались только аналоговые формирователи луча, эти устройства позволяют снизить стоимость и уменьшить цену фазированных решеток. Для уменьшения размеров и веса, а также для оптимизации функций и повышения производительности системы в 5G, конечно же, будут использоваться такие фазированные решетки. Массивы, использующие аналоговые формирователи луча, естественно, ограничены схемами формирования луча, которые могут быть достигнуты за счет точной настройки электроники формирования луча на переднем фронте.

В настоящее время использование цифрового формирования луча (DBF) на уровне подрешеток является распространенным методом повышения гибкости радаров с фазированными решетками. Подтверждением тому может служить 76-панельный демонстратор передовых технологий (ATD), эксплуатируемый Национальной лабораторией сильных бурь NOAA (NSSL) и маломощным радаром Raytheon Массачусетского государственного университета (UMass) (т.е. Skyler). Однако переход к архитектуре DBF на уровне ячеек позволит реализовать беспрецедентные функции. Например, военно-морской радар CEA-FAR Австралии, радар FlexDAR 2 ВМС США, MF-STAR израильской компании Elta, BEEMER AFRL (оцифровка базовой полосы экспериментальных антенных блоков MIMO радаров), космические заградители. Кроме того, оцифровка каждого антенного блока позволяет точно управлять поляризацией, причем можно управлять чисто H-поляризацией или V-поляризацией, или управлять как H-, так и V-поляризацией под углом 45 градусов, а также LHC, RHC или любой из них. Состояние поляризации.

Технология цифровых массивов - это только зарождающееся направление исследований. Важным вкладом Исследовательской лаборатории Командования по разработке боевых возможностей сухопутных войск (CCDC ARL) является разработка мощных методов калибровки решеток. Эксплуатация РЛС с фазированными решетками в условиях большого скопления людей во многом зависит от мер по защите РЛС и продолжения калибровочных работ в динамичной обстановке. Для цифровых решеток недостаточно заводской калибровки, поэтому необходимы мощные методы калибровки на месте, которые к тому же имеют преимущества в вычислительной эффективности. Для решения проблемы динамической калибровки OU и CCDC ARL разрабатывают технологию калибровки на основе взаимной связи. В настоящее время CCDC ARL проводит эксперимент по проверке концепции с использованием лабораторной системы тестирования цифровых массивов на уровне единиц для количественной оценки эффективности первоначального алгоритма. Заглядывая в будущее, CCDC ARL оптимизирует эти технологии для достижения более широкой полосы пропускания, а также сосредоточится на масштабируемости больших массивов и их применимости в операционных средах, отличных от лабораторных испытательных платформ.

Полностью цифровая архитектура

Несмотря на то, что добиться двухполяризации на РАР оказалось непросто, на последних семинарах по обмену радарными технологиями, спонсируемых Национальным научным фондом (NSF), был достигнут значительный прогресс5. Так, например, в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института в АТД был создан пульт управления S-диапазоном6 , прототип S-диапазона BCI/LMCO, система РЛС с фазированной решеткой в C-диапазоне NCAR, радар в X-диапазоне UMass и демонстратор радара с цилиндрической поляризованной фазированной решеткой (CPPAR) в S-диапазоне OU7. Для улучшения временного разрешения при работе в режиме "прожектора" несколько лет назад ARRC создал однополяризационный X-диапазонный радар для формирования изображений атмосферы (AIR), как показано на рис. 1. AIR работает в режиме "наводки", пуская вертикальный веерный луч с углом 20 градусов и используя 36 приемных решеток для масштабного цифрового формирования луча. Другими словами, измеряемый радаром индикатор высоты зоны действия (ИВЗ) может формироваться одновременно, подобно съемке электромагнитным фотоаппаратом. Такая архитектура в сочетании с механическим сканированием по азимуту со скоростью 20 градусов в секунду позволит существующему АИР собирать информацию в диапазоне 180*20 градусов примерно за 9 секунд. Таким образом, это также самое высокое в мире разрешение для наблюдения за причинами торнадо. 8. Другой аналогичной системой с разрешением по паводкам является ПАР Х-диапазона Университета Осаки.

Для работы этих систем наблюдения с расширенной визуализацией требуется несколько оцифрованных каналов субрешетки. Повышение уровня оцифровки также позволит реализовать адаптивное цифровое формирование луча (ADBF), пространственно-временную адаптивную обработку (STAP) и даже режимы работы MIMO. Идеальная архитектура фазированных решеток будет иметь цифровые функции, а передаваемые и принимаемые сигналы каждого антенного блока будут управляемыми, поэтому она также будет иметь широкую полосу пропускания. Поскольку обработка на уровне блоков и последующее формирование луча являются цифровыми, их можно реконструировать и оптимизировать для различных сценариев применения. Оцифровка на уровне блоков открывает возможности для новых решений по обработке и формированию луча и обеспечивает максимальную гибкость за счет беспрецедентного динамического диапазона регулировки в больших системах. Например, при наличии M антенных элементов и некоррелированности шумов между ними отношение сигнал/шум системы улучшается на 10 log(M). Однако это сопровождается неизбежными техническими рисками и практическими проблемами, такими как объем обрабатываемых данных и использование несложных приемопередатчиков.

На рис. 3 показаны три примера полностью цифровых систем PAR. На крайнем левом изображении рисунка 3 показаны несколько типичных высокочувствительных лучей и несколько низкоприоритетных лучей, необходимых для сбора важной информации в зоне. На рисунке 3 в середине показан пример пространственно-временного мультиплексирования, с помощью которого из зоны мониторинга может быть собрано несколько наборов независимых образцов; таким образом, для сбора данных можно использовать меньшее количество образцов. Поскольку адаптивная пространственная фильтрация может быть реализована с помощью фазированной решетки4 , это в значительной степени подтверждает правильность использования фазированной решетки на типичной параболической антенне. Наконец, крайнее правое изображение на рис. 3 описывает, как в мобильном демонстраторе будет использоваться опыт команды в области визуализации для достижения быстрого пакетного сканирования8.

Для любого многозадачного радара будущего одновременная реализация нескольких функций - единственный способ удовлетворить требования миссии на заданной временной оси. Поэтому очень важно реализовать гибкость расширенного формирования луча с помощью цифровых технологий. Кроме того, этот метод позволяет реализовать другие задачи в течение всего жизненного цикла цифрового РАР за счет обновления программного обеспечения, а не дорогостоящих аппаратных преобразований, что значительно экономит затраты на эксплуатацию и обслуживание. В следующей части будет дан обзор разработки двухполяризационной РАР S-диапазона, которая разрабатывается и производится в ARRC. S-диапазонная двухполяризационная ПАР позволит достичь этих целей. Эта система получила название Horus. Она имеет цифровой приемопередатчик для каждой поляризации и каждого антенного элемента. Она станет ценным исследовательским инструментом для оценки преимуществ и проблем этого метода.

Концепция конструкции радара Horus

В настоящее время ARRC разрабатывает мобильную двухполяризованную фазированную антенную решетку S-диапазона. Система имеет полностью цифровую архитектуру, состоит из 1024 двухполяризованных антенных блоков, разделенных на 25 панелей 8*8 (16 из которых оснащены электронными устройствами), как показано на рис. 4. Каждая панель оснащена восемью "OctoBlade", в которых размещена практически вся электроника радара. Каждый "OctoBlade" тщательно продуман для возбуждения 8-элементной колонны высокоэффективной антенной решетки в панели и достижения практически идеального состояния поляризации на главной плоскости. Главная плоскость состоит из металлической охлаждающей пластины (теплопередающей трубки) с печатной платой на каждой стороне для размещения в общей сложности 16 фронтальных устройств на основе GaN (каждое устройство, каждая поляризация>10 Вт), восемь из которых представляют собой сдвоенные аналоговые устройства Канал цифрового приемопередатчика, четыре фронтальных ПЛИС для обработки и две ПЛИС для управления. Сборка антенной подсистемы и связанных с ней электронных компонентов может быть отнесена к одной из трех основных архитектур: конформная патч-сборка, панельная сборка (с выдвижным OctoBlade) или независимая конструкция, разделенная кабелями (рис. 4). Конструкция с выдвижным OctoBlade требует наименьших затрат на обслуживание, поскольку эти электронные компоненты легко заменяются в горячем режиме. Эта удобная функция идеально подходит для фундаментных систем, срок службы которых составляет десятки лет.

Как правило, производительность большого массива зависит от структуры цифровых межсоединений, расположенных за ним. В настоящее время используются традиционные иерархические топологии, однако некоторые их характеристики, такие как масштабируемость, гибкость и пропускная способность, ограничены. Например, в некоторых массивах используется ячеистая топология. При использовании ячеистой топологии нагрузка на центральный канал велика. Это обычно приводит к перегрузкам в центральной части сети. Выходом из этой ситуации является добавление маршрутизаторов в ячеистую сеть или использование кольцевой топологии. Кольцевая топология обладает симметрией маршрутизаторов на противоположной стороне, что позволяет уменьшить ненужные перегрузки при небольшом увеличении ресурсов. . Однако остается еще много нерешенных вопросов. Мы считаем, что основными являются три вопроса: механизм передачи данных (т.е. RapidIO, Gigabit Ethernet и т.д.), степень частичного лучеобразования и топология тракта передачи данных (т.е. иерархическая структура и т.д.). Хороший баланс этих вопросов позволит легко наращивать размер массива для решения различных задач.

Обычный радар Horus подается на заднюю панель через сеть RapidIO для завершения цифрового формирования луча. Это позволит получить изделие с шириной луча, характерной для концептуально многофункциональной системы PAR (например, луч 200 МГц в соответствующем динамическом диапазоне). Иерархический формирователь луча уменьшает количество потоков данных на каждом уровне иерархической структуры, выполняя при этом частичное взвешивание и агрегирование. Импульсный формирователь луча также похож, но вместо суммирования данных на определенном этапе он посылает данные вдоль ряда узлов или блоков. Часть данных луча при этом суммируется для использования на последующих этапах обработки. Выходные данные. Практически во всех известных автору цифровых массивах среднего размера для реализации цифрового переднего фронта используется та или иная форма послойной/импульсной обработки. Важно отметить, что в отличие от аналоговых массивов, использование послойной/импульсной обработки луча позволяет сбалансировать количество лучей и полосу пропускания сигнала в цифровой области, так что фиксированное общее произведение луча на полосу пропускания остается примерно постоянным на каждом этапе цепочки обработки переднего фронта.

Для многоуровневой структуры стоимость межсоединений пропорциональна логарифму числа блоков M, а стоимость обработки данных и фронтальной обработки примерно линейно пропорциональна M. И то, и другое пропорционально полосе пропускания всей системы. Подобные соображения имеют определяющее значение для проектирования любой архитектуры фронтальных ЦВМ в части компромиссов между калибровкой, формированием луча и адаптацией. В конечном итоге RapidIO может поддерживать любую сетевую архитектуру, например, свернутое кольцо позволяет снизить задержки и повысить надежность, что будет исследовано в будущем.

На рис. 5 показаны результаты лабораторных измерений мобильного демонстратора9. Эта полностью цифровая активная двухполяризованная фазированная антенная решетка предназначена для полного управления передачей и приемом сигналов каждого антенного блока. По сравнению с параболической антенной WSR-88D, при разработке антенны в рамках проекта ARRC основное внимание уделяется достижению той же функции или улучшению характеристик. Учитывая, что в метеорологических миссиях требования к поляризации выше, чем в миссиях по наблюдению за воздушными судами с точки зрения распознавания целей, эти конструктивные особенности имеют решающее значение. Для успешного определения переменной поляризации сканируемой атмосферы двухполяризационный радар должен иметь как низкий уровень кросс-поляризации (менее -40 дБ), так и хорошо согласованную диаграмму направленности (менее 0,1 дБ).

Как правило, при увеличении уровня кросс-поляризации антенны все отклонения в переменной поляризации увеличиваются. При проектировании печатная плата решетки 8*8 были исследованы многие элементы антенного блока. К таким элементам относятся: подавление краевой дифракции; полоса пропускания с центральной частотой 2,8 ГГц более 10%; развязка между портами около -50 дБ; азимутальный угол ±60º В диапазоне сканирования уровень кросс-поляризации ниже -45 дБ, а рассогласование ко-поляризации ниже 0,1 дБ в диапазоне сканирования угла тангажа ±10º. После тщательной калибровки коэффициент активного отражения не менее -10 дБ может быть получен для диапазона сканирования по азимуту ±60º и диапазона сканирования по углу возвышения ±10º. Таким образом, для Horus разработан новый тип уложенного крестообразного микрополоскового патч-радиатора с электромагнитной связью. Крайняя левая фотография на рис. 5 представляет собой панель 8*8 таких излучателей. Радиатор и питающая сеть разделены на две разные части, чтобы предотвратить их изгиб после изготовления. Радиатор состоит из двух проводящих слоев и радиокупола, склеенных RT/Duroid 5880LZ и RO4450F.