Bild 3: Die Transceiver-Produktlinie von Analog Devices beinhaltet Dual-Wellenform-Generatoren und Empfänger. (Bild: Analog Devices)
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. 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. 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.
Migration aufs X-Band
Bild 4: PWB-Design eines HF-Aufwärts-/Abwärts-Wandlers für das X/Ku-Band. Das Channel-Spacing beträgt etwa 17,5 mm. Analog Devices
Mit etwas zusätzlichem Aufwand lässt sich ein Elementabstand für das X-Band realisieren. Bild 4 zeigt die physikalischen Abmessungen eines passenden HF-Auf-/Abwärts-Wandlers. Dieses spezielle Board ist als zugehöriges Testboard für das Dual-Transceiver-Board vorgesehen und lässt sich ebenfalls zur Veranschaulichung der praktischen physikalischen Größenbeschränkungen für dieses HF-Subsystem heranziehen. Aufgebaut ist das Board mit Standard-Low-Cost-Methoden mit kommerziell verfügbaren Bauteilen. Auch dies zeigt erneut, dass diese Art der Implementierung jedes Antennenelement bis zum C-Band unterstützt. Eine Migration für das X-Band wäre mit weiterer SiP-Integration (System-in-Package) möglich.
Die beiden Boards zeigen, dass preiswerte kommerzielle Implementierungen alle Elemente für Beamforming-Phased-Arrays für Frequenzen bis zum C-Band unterstützen. Eine Implementierung von allen Elementen für das X-Band und darüber hinaus wäre mit weiterer Integration möglich, da alternative Beamforming-ICs zum Einsatz kommen können, um die Zahl der Wellenformgenerator- und Empfängerkanäle relativ zur Zahl der Elemente zu reduzieren. 4:1-X/Ku-Band-Beamformer sind perspektivisch kommerziell verfügbar und dienen als praktischer Ansatz für preiswerte digitale Beamforming-Phased-Arrays bei diesen Frequenzen.
Abstände von Ka-Band-Elementen
Bild 5: Die notwendige Grundfläche für die Arbeit im Ka-Band, rechts mit vier ICs für das Beamforming. Analog Devices
Als nächstes wird ein Antennenelementabstand für das Ka-Band betrachtet (Bild 5). Bei 30 GHz beträgt der λ/2-Abstand 5mm, was recht schwierig für die Elektronik ist. Es ist jedoch praktikabel, einen 4:1-Analog-Beamformer mit diesen Abständen direkt gegenüber den Antennenelementen zu implementieren. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass die physikalischen Größenbeschränkungen wenige Möglichkeiten für zusätzliche Bauteile bieten. Dies erfordert die Einbindung von rauscharmen Verstärkern (LNA) oder Leistungsverstärkern (PA) in das Beamforming-Gehäuse und die Unterbringung von passiven Bauteilen, wie zum Beispiel Entkoppelkondensatoren, in das PWB (Printed Wiring Board).
Ein Vorteil bei der Entwicklung von Ka-Band-Satellitensystemen ist, dass die meisten Systeme Übertragungs- und Empfangsfunktionen in gesonderten Antennen trennen. Dies ermöglicht die Entwicklung von Beamforming-ICs, die ausschließlich zur Übertragung oder zum Empfang dienen und für eine bestimmte Aufgabe optimiert sind.
Zusammenfassung
Die permanente Weiterentwicklung von HF-ICs für die Wireless-Branche ist zu einem Wegbereiter für die Verbreitung von digitaler Beamforming-Phased-Array-Technologie geworden. Es ist nun praktikabel, Digital-Beamforming-Phased-Arrays mit Standard-PWB-Technologie für Frequenzen so hoch wie das C-Band zu entwickeln. Bei höheren Frequenzen im X-Band ist eine Digital-Implementierung praktikabel, erfordert vermutlich jedoch zusätzlichen Entwicklungsaufwand für weitere Integration. Alternativ könnte ein 4:1-Analog-Beamformer zum Einsatz kommen, der zusätzlichen Platz für die Elektronik bietet und wiederum Standard-PWB-Implementierungsmethoden erlaubt. Beim Ka-Band sind physikalische Größenbeschränkungen eine große Herausforderung. Allerdings ist mit der Integration von Frontend-Elektronik in ein Beamformer-Gehäuse entweder eine Sub-Array-Antennenarchitektur oder ein Analog-Beamforming-System realisierbar.
Peter Delos
(na)
