Phasenbereichsradarsysteme (Phased-Array-Radarsysteme) und aktive Phased-Array-Radarsysteme (Active Electronically Scanned Arrays, AESA) kommen seit mehr als einem Jahrzehnt in der Luftfahrt sowie in der Verteidigung zum Einsatz. Dieser Zeitraum begann mit überwiegend analogen Beamforming-Systemen mit einem kontinuierlichen Übergang auf Digital-Beamforming-Systeme. Im Rahmen ihrer Zielsetzungen streben Systemingenieure immer wieder fast elementares (Near Elemental) Beamforming für maximale Flexibilität und Programmierbarkeit an.

Eck-Daten

Fortschritte bei HF-ICs für die Wireless-Branche sind die Wegbereiter für die Verbreitung der digitalen Beamforming-Phased-Array-Technologie. Digitale Systeme lassen sich mit Standard-PWB-Technologien für Frequenzen bis ins C-Band realisieren. Im Beitrag zeigt Analog Devices, welcher Aufwand zusätzlich notwendig ist, um auch im X-Band und im Ka-Band zu arbeiten. Gerade bei letztem sind Größenbeschränkungen eine große Herausforderung für die HF-Elektronik.

Es gibt viele Herausforderungen beim Übergang auf digitales Near-Elemental-Beamforming. Angefangen bei Kalibrierung und digitaler Steuerung über Taktverteilung, LO, Leistung, Verarbeitung großer Datenmengen bis hin zu Einschränkungen beim Platzbedarf der Elektronik. Die erfolgreiche Weiterentwicklung von HF-ICs für die Wireless-Branche ermöglicht die Entwicklung von HF-Systemen mit ständig höheren Integrationsdichten und praktischen Implementierungen aller Elemente, was digitale Beamforming-Arrays Realität werden lässt.

Antennenelementabstand und Frequenz

Zunächst sind die Abstände der einzelnen Antennenelemente als Funktion der Frequenz zu betrachten. Um das Auftreten von Nebenkeulen (Grating Lobes) zu vermeiden, ist ein Elementabstand von λ/2 oder weniger erforderlich, wobei λ die Wellenlänge der Betriebsfrequenz ist. Die Polarisationsdiversität ist ebenfalls ein gewünschtes Systemziel. Sie ermöglicht die Programmierung einer Vielzahl von Antennenpolarisierungen einschließlich horizontal, vertikal oder links- beziehungsweise rechtsdrehende zirkulare Polarisation. Die Antennenelement-Implementierung zum Erreichen der gewünschten Polarisationsdiversität ist ein abstrahlendes Element mit zwei Ports, wobei jeder Port mit orthogonalen Polarisationen strahlt.

Bild 1: Antennenelement-Abstände in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz.

Bild 1: Antennenelement-Abstände in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz. Analog Devices

Durch Steuerung der relativen Phase und Amplitude jedes Ports entstehen die variierten Polarisationen. Obwohl diese Eigenschaft ein wesentlicher Vorteil für das System ist, verdoppelt sie die Zahl der benötigten Antennenports und macht die unterstützende Elektronik komplizierter. Bild 1 zeigt die Antennenelementabstände gegenüber der Frequenz bei einem angenommenen Abstand von λ/2. Mit den beschriebenen Größenbeschränkungen lässt sich das HF-Subsystem hinter der Antenne evaluieren, um Implementierungen zu untersuchen, die für die Vorgaben der Kanalabstände über die Frequenz erforderlich sind.

Wellenformgenerator und Empfängerkanal

Bild 3: Die Transceiver-Produktlinie von Analog Devices beinhaltet Dual-Wellenform-Generatoren und Empfänger.

Bild 3: Die Transceiver-Produktlinie von Analog Devices beinhaltet Dual-Wellenform-Generatoren und Empfänger. Analog Devices

Bild 2 zeigt ein Evaluierungsboard für einen Transceiver von Analog Devices. Das Board enthält zwei Transceiver mit jeweils zwei Übertragungs- und Empfangskanälen (Bild 3). Daher sind vier komplette Wellenformgeneratoren und Empfänger implementiert. Außerdem verfügt das Board über einen Takt-IC und mehrere weitere I/O-Features zur Evaluierung der Bauteile.

Obwohl das Board bewusst nicht für den höchst möglichen Integrationsgrad ausgelegt ist, ermöglicht es Einblicke in die praktischen Größenbeschränkungen für den Wellenformgenerator- und Empfängerbereich. Damit wird deutlich, dass die Transceiver-Produktlinie jeden Antennenabstand zum C-Band unterstützt.

 

Wie die Migration aufs X-Band gelingt und was bei Ka-Band-Elementen zu beachten ist, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Seite 1 von 212