IC基板 - 全ディジタルフェイズドアレイレーダのテストプラットフォーム

レーダーPCB revolution
In the past 15 years, ARRCは、Uに参加しました.S. National Multifunctional Phased Array Radar (MPAR) project, 続いて.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). したがって, ARRCは気象および長距離航空機走査の必要性を満たすためにスケーラブルなsバンド全ディジタル偏光フェイズドアレイに取り組んでいる. 配列はまた、他の重要な操作をサポートします, MIMOと従来の通信を含むこと.

フレキシブルビーム制御と多機能実装はフェイズドアレイをマルチタスクレーダシステムの最良候補とする. GaAsの進歩, シグ, CMOSと PCB 技術は信頼できる, 高集積RF フェイズドアレイアンテナを作るデバイス—最新のリモートセンシングと通信技術のコア. 高度に集積された効率的なデバイスは、フェーズドアレイアンテナ構造が複数のトランシーバを含むことを可能にする. アナログビームフォーマを使用する前世代フェイズドアレイアンテナと比較して, これらのデバイスは、コストを低減し、フェイズドアレイのコストを低減することができる. 大きさと重量, システム機能の最適化とシステム性能の向上, 5 Gはもちろんこのようなフェイズドアレイ技術を使用します. アナログビーム形成を使用するアレイは、フロントエンドビーム成形エレクトロニクスの正確な設定によって達成可能なビームフォーミング方式に限定される.

現在，サブアレイレベルでのディジタルビーム成形（dbf）の使用はフェイズドアレイレーダの柔軟性を改善するための共通の方法である。NOAA国家猛烈な研究所（NSSL）とマサチューセッツ州立大学（UMASS）Raytheon低電力レーダー（IE Skyler）によって運営される76のパネル先進のテクノロジーデモンストレーション（ATD）は、これを証明することができます。しかし、セルレベルのDBFアーキテクチャへの移行は、前例のない機能を可能にします。例えば、オーストラリア旋岬のレーダーアンテナ、アメリカ海軍のサクランダルフレダラーレーダー2、イスラエル・ルーズ号エル・エルタ・ラ・ハーフ・ミス・スター、AFRL - Term - Ligz ' s 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。加えて、各アンテナユニットのデジタル化によって、正確に分極を制御し、純粋なH偏光またはV偏光を制御することができ、または45度でのHおよびV偏光の両方を制御することができる。偏光状態

ディジタルアレイ技術は新生の研究方向である。戦闘能力開発指令陸軍研究所（ccdc‐arl）の重要な貢献は，アレイ校正のための強力な技術の開発である。混雑した環境におけるフェイズドアレイレーダの動作は，レーダを保護するための方策と，動的環境における較正作業の継続に大きく依存する。工場の較正はディジタルアレイには十分ではないので，強力なオンサイトキャリブレーション技術が必要であり，計算効率にも利点がある。ouとccdc‐arlは相互結合に基づくキャリブレーション技術を開発し，動的較正問題を解決した。ccdc‐arlは，初期レベルアルゴリズムの性能を定量化するために，単位レベルディジタルアレイ実験室試験システムを用いて概念実験を実施している。将来的に見て、CCDC ARLはより広い帯域幅性能を達成するためにこれらのテクノロジーを最適化して、大規模な配列のスケーラビリティと研究室テストプラットホーム以外の操作環境への彼らの適用に集中します。

デジタルアーキテクチャ

PARで二重分極を達成するのに挑戦したが、国立科学財団（NSF）によって後援される最近のレーダー技術交換セミナーは、AMD 6のMIT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）のような重要な進行を作りました。UMASSのXバンドレーダとOUのSバンド円筒偏波フェーズドアレイレーダ（CPPAR）実証器7「スポットライト」操作の時間分解能を改善するために、ARRCは、図1に示すように、数年前に単一の偏光Xバンド大気撮像レーダ（AIR）を作製した。空気は“フラッディング”モードで動作し、20度の垂直ファンビームを起動し、大規模なデジタルビームフォーミングのための36受信アレイを使用する。換言すれば、レーダによって測定されたレンジハイト指標（RHI）は、電磁カメラとの写真撮影と同様に、同時に形成することができる。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、既存の空気が約9秒で180 * 20度の範囲で情報を収集することができます。したがって、これはトルネード原因観測のための世界的な旋盤の最高解像度でもあります。もう一つの類似したシステムは、洪水解決による大阪大学です。

これらの高度なイメージング監視動作モードは、複数のデジタル化されたサブアレイチャネルを必要とする。ディジタル化レベルの改善は，適応ディジタルビーム成形（adbf）と時空適応処理（stap）とmimo動作モードさえ可能にする。理想的なフェイズドアレイアーキテクチャはディジタル機能を有し、各アンテナユニットの送信信号および受信信号は制御可能であるので、広帯域のカバレッジ範囲を有する。ユニットレベル処理とそれに続くビームフォーミングは両方ともデジタルであるので、それらは異なるアプリケーションシナリオのために再建されて、最適化されることができます。ユニットレベルのデジタル化は、新しいビーム処理とビームフォーミングソリューションへの扉を開き、大きなシステムで前例のないダイナミックな調整可能範囲を通して最大限の柔軟性を提供します。例えば、与えられたMアンテナ要素および要素間のノイズは無相関である。そして、系のSN比は10 log（m）によって、改良される。しかし、これは、処理される必要があるデータ量および非複雑なトランシーバの使用のような固有の技術的リスクおよび実用的な課題を伴う。

図3は、すべてのデジタルPARシステムの3つの例を示す。図3の左端の画像は、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示し、これは領域内の重要な情報を収集するために必要である。図3の中央の画像は、複数の独立したサンプルを監視エリアから収集することができる時空多重化の例を示すこのようにして、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る。適応空間フィルタリングがフェーズ化されたアレー4によって達成されることができるので、これは典型的な放物線状の皿アンテナ上のフェイズドアレイを使用する正当性を大いに証明する。最後に、図3の最も右のイメージは、モバイル・デモ参加者がどのようにチーム・バッチ・イメージの専門知識を使用して、速いバッチ・スキャン8を達成するかについて説明します。

将来のどんなマルチタスクレーダーのためにでも、複数の機能の同時実現は、与えられた時間軸の上で任務要件を満たす唯一の方法です。したがって，ディジタル化による高度なビームフォーミングの柔軟性を実現することが不可欠である。さらに、この方法は高価なハードウェア変換ではなく、ソフトウェアアップグレードを通じてデジタルPARのライフサイクル全体の他のタスクを実装することができ、それによって多くのオペレーションおよびメンテナンスコストを節約することができる。次の部分はARRCで設計され製造されているSバンドデュアル偏光PARの開発の概観を与える。sバンド二重分極parはこれらの目標を達成する。このシステムをhorusと呼ぶ。それは、各々の分極および各々のアンテナ素子のためのデジタルトランシーバを有する。この方法の利点と課題を評価するための貴重な研究ツールとなる。

Horusレーダー設計概念

ARRCは現在、モバイルSバンドデュアル偏波フェーズドアレイシステムを開発中である。このシステムは、図24に示すように、1024個の二重偏波アンテナユニットから構成された全てのデジタル構造を有し、25の8×8パネル（16個は電子デバイスを備えている）に分割されている。各々のパネルは8つの「Octoblade」を備えています。そして、ほとんどすべてのレーダーエレクトロニクスがそれにあります。各々のOctobladeは慎重にパネルの高性能アンテナ配列の8つの要素列を興奮させるように設計されて、主な面でほぼ理想的な分極状態を成し遂げます。主平面は、16個のGaNベースのフロントエンド（各ユニット、各偏光＞10 W）の合計を収容するために、それぞれの側にPCBを備えた金属冷却プレート（伝熱管）で構成され、その8つはデュアルアナログデバイスチャンネルデジタルトランシーバであり、8つは、処理のための4つのフロントエンドFPGAと、2つのFPGA用の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アセンブリは、コンフォーマルパッチアセンブリ、パネルアセンブリ（スライドアウトオクタブレード付き）またはケーブルによって分離された独立構造のうちの1つに分類される。これらの電子部品が容易に熱交換可能であるので、スライドアウトのオタクルを有するデザインは、最も低いメンテナンスコストを必要とする。この便利な機能は、サービス寿命の数十年を必要とするファンデーションシステムに最適です。

一般に、大きなアレイの性能は、アレイの背後のデジタル相互接続構造に依存する。従来の階層トポロジーは現在使用されているが、スケーラビリティ、柔軟性、帯域幅などのいくつかの特性が制限されている。例えば、いくつかの配列はメッシュトポロジーを使用します。メッシュトポロジーを使用する場合、中央チャネル上の負担は重い。これは通常、ネットワークの中央領域の輻輳につながります。この状況への解決は、ルータをメッシュネットワークに加えるか、リングトポロジーを使用することです。このリングトポロジーは反対側のルータで対称性を持ちます。そして、それは資源のわずかな増加で不要な混雑を減らすことができます。しかしまだ未解決の問題がたくさんあります。データ伝送機構（ie rapidio，gigabit ethernetなど），部分ビーム成形の度合い，データパストポロジー（ie，階層構造など）が三つある。これらの問題の良いバランスは、配列のサイズを簡単に様々なタスクを満たすために拡張することができます。

Horusの普通のレーダーは、デジタルビーム成形を完了するためにRapidioネットワークを通してパネルの背面に供給される。これは、概念的に多機能PARシステム（例えば200 MHzのビームのような適切なダイナミックレンジ）のビーム帯域幅積を可能にする。階層的ビームフォーマは階層構造の各レベルでのデータストリームの数を減らし、その過程で部分的重み付けと集約を行う。パルスビームフォーマーも同様であるが、与えられたステージでデータを要約する代わりに、一連のノードまたは単位に沿ってデータを送る。ビームデータの一部は後続の処理段階で使用されるこの処理に要約される。出力。著者に知られているほぼすべての中型ディジタルアレイは、デジタルフロントエンドを実現するために、いくつかの形態の積層／パルス処理を使用している。重要なことに、アナログアレイとは異なり、層状／パルス状ビーム形成の使用は、デジタルドメイン内の信号帯域幅を有するビームの数をバランスさせることができるので、固定された全体的ビーム帯域幅積は、フロントエンド処理チェーンの各点でほぼ一定のままである。

多重レベル構造のために、相互接続コストは単位Mのナンバーの対数に比例していて、データおよびフロントエンド処理はMにほぼ線形比例する。これらのタイプの考慮は、較正、ビームフォーミングおよび適応のトレードオフにおける任意のフロントエンドDBFアーキテクチャの設計に重要性を導く。最後に、Rapidioは、折り畳み式の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ます。

図5は、モバイルデモストラト9の実験室測定結果を示す。この完全ディジタルディジタル双偏波フェーズドアレイアンテナは，各アンテナユニットの送受信信号を完全に制御するように設計されている。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、同じ機能を達成するか、パフォーマンスを改善することに集中します。気象ミッションが目標認識に関して航空機監視任務より高い分極の必要条件を持っているという事実の観点から、これらの設計仕様は重要です。二重偏波レーダは，走査した雰囲気の偏光変数を決定するために，低交差偏波レベル（40 db以下）とよく一致するパターン（0 . 1 db以下）を必要とする。

一般に, アンテナの交差偏波レベルが増加するにつれて, 偏光変数増加におけるすべての偏差. 中 PCB設計 of the 8*8 array, アンテナユニットの多くの要素が研究された. これらの要素には、エッジ回折抑制が含まれる中心周波数2の帯域幅.10 %以上8 GHz；ポート間のアイソレーションは約走査範囲における方位角, 交差分極レベルは−45 dBより低く，co分極不整合は0より低い.ピッチ角の走査範囲内で1 dB. 慎重校正後, 方位角θ±60°の走査範囲と仰角角±10 . 10åの走査範囲について，少なくとも10 dbの活性反射係数が得られる. したがって, Horus用の電磁結合を持つ新しいタイプの積層交差マイクロストリップパッチ放射器を設計した. The leftmost picture in Figure 5 is an 8*8 panel of these radiators. ラジエータと給電網は、製造後の屈曲を防ぐために2つの異なる部分に分けられる. ラジエーターは、2つの導電層と、RT/デュオロイド5880 LZとRO 4450 F.