集成電路基板 - 全數位相控陣雷達測試平臺

雷達印刷電路板 revolution
In the past 15 years, ARRC參加了美國.S. National Multifunctional Phased Array Radar (MPAR) project, 然後是U.S. National Surveillance Radar Spectrum Efficiency (SENSER) project, which was originally developed by the Federal Aviation Administration (FAA). ), the Department of Defense (DoD), the Department of Homeland Security (DHS) and the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). 因此, ARRC正在開發一種可擴展的S波段全數位極化相控陣，以滿足天氣和遠程飛機掃描的需要. 該陣列還將支持其他重要操作, 包括MIMO和常規通信.

靈活的波束控制和多功能實現使相控陣成為多工雷達系統的最佳選擇，因為它提供了一種高效且經濟的解決方案. 砷化鎵的進展, SiGe公司, CMOS和 印刷電路板 技術提供了可靠的, 高集成射頻 使相控陣天線成為現代遙感和通信技術覈心的設備. 高度集成和高效的設備允許相控陣天線體系結構包含多個收發器. 與上一代僅使用類比波束形成器的相控陣天線相比, 這些設備可以降低成本並降低相控陣的成本. 尺寸和重量, 優化系統功能，提高系統性能, 5G當然會使用這種相控陣科技. 使用類比波束形成的陣列自然僅限於通過精確設定前端波束形成電子設備來實現的波束形成方案.

現時，在子陣級使用數位波束形成（DBF）是提高相控陣雷達靈活性的常用方法。 由NOAA國家強風暴實驗室（NSSL）和麻省州立大學（UMass）雷神低功率雷達（ie Skyler）操作的76個面板的先進科技演示器（ATD）可以證明這一點。 然而，向單元級DBF架構的轉變將實現前所未有的功能。 例如，澳大利亞的CEA-FAR海軍雷達、美國海軍的FlexDAR雷達2、以色列的Elta MF-STAR、AFRL的BEEMER（MIMO實驗雷達天線單元的基帶數位化）和太空圍欄。 此外，每個天線單元的數位化使人們能够準確地控制極化，並可以控制純H極化或V極化，或控制45度的H極化和V極化，以及LHC、RHC或其中任何一種。 極化狀態。

數位陣列科技是一個新興的研究方向。 作戰能力發展司令部陸軍研究實驗室（CCDC ARL）的一項重要貢獻是開發了强大的陣列校準科技。 相控陣雷達在擁擠環境中的運行在很大程度上取決於保護雷達的措施以及在動態環境中校準工作的持續性。 對於數位陣列而言，工廠校準是不够的，囙此需要强大的現場校準科技，這些科技在計算效率方面也具有優勢。 OU和CCDC ARL正在開發基於互耦的校準科技，以解决動態校準問題。 CCDC ARL正在進行概念驗證實驗，使用單元級數位陣列實驗室測試系統量化初始算灋的效能。 展望未來，CCDC ARL將優化這些科技以實現更寬的頻寬效能，並將重點關注大型陣列的可擴展性及其對實驗室測試平臺以外的操作環境的適用性。

完整的數位架構

雖然實現標準杆數雙極化具有挑戰性，但最近由美國國家科學基金會（NSF）主辦的雷達技術交流研討會取得了重大進展5，例如位於ATD6的麻省理工學院林肯實驗室的S波段控制台、BCI/LMCO的S波段原型、NCAR的C波段機載相控陣雷達系統、， 麻省大學X波段雷達和OU s波段圓柱極化相控陣雷達（CPPAR）演示器7。 為了提高“聚光燈”操作的時間分辯率，ARRC幾年前生產了一種單極化X波段大氣成像雷達（AIR），如圖1所示。 AIR以“泛洪”模式工作，發射20度垂直扇形波束，並使用36個接收陣列進行大規模數位波束形成。 換言之，雷達量測的距離-高度指示器（RHI）可以同時形成，類似於用電磁相機拍照。 這種結構與20度/秒方位角機械掃描相結合，將允許現有的空中在大約9秒內收集180*20度範圍內的資訊。 囙此，這也是世界上龍捲風成因觀測的最高分辯率。 另一個具有洪水分辯率的類似系統是大阪大學的X波段標準杆數。

這些先進的成像監視操作模式需要多個數位化子陣列通道。 數位化水准的提高還將使自我調整數位波束形成（ADBF）、時空自我調整處理（STAP）甚至MIMO操作模式成為可能。 理想的相控陣架構將具有數位功能，並且每個天線單元的發射和接收訊號都是可控的，囙此它也具有較寬的頻寬覆蓋範圍。 由於單元級處理和後續波束形成都是數位的，囙此它們可以針對不同的應用場景進行重構和優化。 單元級數位化為新的波束處理和波束形成解決方案打開了大門，並通過大型系統中前所未有的動態可調範圍提供了最大的靈活性。 例如，給定M個天線單元，並且單元之間的雜訊不相關，系統的信噪比提高了10 log（M）。 然而，這伴隨著固有的科技風險和實際挑戰，例如需要處理的數據量和使用簡單的收發器。

圖3顯示了全數位標準杆數系統的3個示例。 圖3中最左邊的影像描繪了幾個典型的高靈敏度光束和幾個低優先順序光束，它們是收集區域中重要資訊所必需的。 圖3中間的圖片顯示了時空複用的示例，通過該示例可以從監控區域收集多組獨立樣本； 這樣，可以使用較少的樣本來收集數據。 由於自我調整空間濾波可以通過相控陣4實現，這大大證明了在典型抛物面天線上使用相控陣的正確性。 最後，圖3最右側的影像描述了移動演示器將如何使用團隊的成像專業知識來實現快速批量掃描8。

對於未來的任何多工雷達，同時實現多個功能是滿足給定時間軸上任務要求的唯一途徑。 囙此，必須通過數位化實現先進波束形成的靈活性。 此外，這種方法可以通過軟體升級而不是昂貴的硬體轉換來實現數位標準杆數整個生命週期中的其他任務，從而節省大量的操作和維護成本。 下一部分將概述ARRC正在設計和製造的S波段雙極化標準杆數的發展。 S波段雙極化標準杆數將實現這些目標。 這個系統叫做Horus。 每個極化和每個天線單元都有一個數位收發器。 它將成為評估這種方法的優勢和挑戰的一種有價值的研究工具。

Horus雷達設計概念

ARRC目前正在開發一種移動S波段雙極化相控陣系統。 該系統具有全數位架構，由1024個雙極化天線單元組成，分為25個8*8面板（其中16個面板配有電子設備），如圖4所示。 每個面板都配有八個“八角刀片”，幾乎所有的雷達電子設備都位於其中。 每個八角刀片都經過精心設計，可以激勵面板中高效能天線陣列的8單元柱，並在主平面上實現近乎理想的極化狀態。 主平面由一個金屬冷卻板（傳熱管）組成，每側各有一個印刷電路板，以容納總共16個基於GaN的前端（每個單元，每個偏振>10W），其中八個是雙類比設備通道數位收發器，四個前端FPGA用於處理，兩個FPGA用於控制。 天線子系統及其相關電子組件的組裝可分為以下3種主要架構之一：共形貼片組件、面板組件（帶滑出式八角刀片）或由電纜分隔的獨立結構（圖4）。 滑出式OctoBlade的設計需要最低的維護成本，因為這些電子組件很容易熱插拔。 這種方便的功能非常適合需要數十年使用壽命的基礎系統。

通常，大型陣列的效能取決於陣列後面的數位互連結構。 目前正在使用傳統的分層拓撲，但其一些特性，如可擴展性、靈活性和頻寬，受到限制。 例如，某些陣列使用網格拓撲。 使用網格拓撲時，中央通道的負擔很重。 這通常會導致網路中心區域的擁塞。 這種情況的解決方案是將路由器添加到網狀網絡或使用環形拓撲。 這種環形拓撲在對側的路由器上具有對稱性，可以在少量新增資源的情况下减少不必要的擁塞。 但仍有許多懸而未決的問題。 我們認為這3個主要問題是：資料傳輸機制（即RapidIO、千兆乙太網等）、部分波束形成程度和數據路徑拓撲（即層次結構等）。 這些問題的良好平衡將允許輕鬆擴展陣列大小以滿足各種任務。

Horus的普通雷達通過RapidIO網絡輸入面板背面，完成數位波束形成。 這將實現概念上多功能標準杆數系統的波束頻寬乘積（例如在適當的動態範圍內的200MHz波束）。 分層波束形成器减少了分層結構每一級的資料流程數量，並在該過程中執行部分加權和聚合。 脈衝波束形成器也類似，但它不是在給定階段匯總數據，而是沿著一系列節點或單元發送數據。 在此過程中總結了部分波束數據，以供後續處理階段使用。 輸出 作者所知的幾乎所有中型數位陣列都在使用某種形式的分層/脈衝處理來實現數位前端。 重要的是，與類比陣列不同，分層/脈衝波束形成的使用可以在數位域中平衡波束數量與訊號頻寬，從而使固定的總波束頻寬乘積在前端處理鏈的每個點保持近似恒定。

對於多層結構，互連成本與單元數M的對數成正比，數據和前端處理大致與M成線性比例。兩者都與整個系統的頻寬成正比。 這些類型的考慮對於任何前端DBF架構的設計在校準、波束形成和自我調整之間的權衡都具有指導意義。 最後，RapidIO可以支持任何網路架構，例如，折疊環可以减少延遲並提高可靠性，這將在將來進行探索。

圖5顯示了移動演示器9的實驗室量測結果。 這種全數位有源雙極化相控陣天線設計用於完全控制每個天線單元的發射和接收訊號。 與WSR-88D抛物面天線相比，ARRC項目的天線設計側重於實現相同的功能或提高效能。 鑒於氣象任務在目標識別方面比飛機監視任務對極化有更高的要求，這些設計規範至關重要。 雙極化雷達需要低交叉極化水准（小於-40dB）和良好匹配的模式（小於0.1dB）才能成功確定掃描大氣的極化變數。

通常地, 隨著天線交叉極化水准的新增, 極化變數中的所有偏差都會新增. 在 印刷電路板設計 of the 8*8 array, 對天線單元中的許多元件進行了研究. 這些要素包括：邊緣繞射抑制； 中心頻率為2的頻寬.8GHz以上10%； 埠間隔離度約為-50dB； 掃描範圍內方位角±60º, 交叉極化水准低於-45dB，共極化失配低於0.俯仰角±10º掃描範圍內1dB. 仔細校準後, 對於方位角±60º的掃描範圍和仰角±10º的掃描範圍，可以獲得至少-10dB的主動反射係數. 因此, 設計了一種新型疊層交叉微帶貼片輻射器. The leftmost picture in Figure 5 is an 8*8 panel of these radiators. 散熱器和饋電網絡分為兩個不同的部分，以防止它們在製造後彎曲. 散熱器由兩個導電層和一個通過RT連接的天線罩組成/Duroid 5880LZ和RO4450F.