HF-Technik

Vollständig digitale Arrays für L-Band-, S-Band- und C-Band-Radarsysteme

11.04.17 | Autor / Redakteur: Matt Guibord * / Kristin Rinortner

Antennendesign: Im Trend liegt der Umstieg von analogen auf digitale Phased-Array-Radarsysteme.
Antennendesign: Im Trend liegt der Umstieg von analogen auf digitale Phased-Array-Radarsysteme. (Bild: Clipdealer)

Vieles spricht für den Umstieg von analogen auf digitale Phased-Array-Lösungen bei Antennen. Allerdings müssen dabei alle analogen Komponenten und Datenwandler sehr klein sein und hohe Datenmengen bewältigen. Eine Lösung lagert das FPGA aus und nutzt Lichtwellenleiter und Datenwandler mit JESD204B-Schnittstelle.

Das elektronische Steuern der Strahlrichtung einer Phased-Array-Antenne wird schon seit Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts praktiziert, allerdings werden bei den meisten Antennen noch analoge Methoden zur Lenkung des Strahls verwendet [1].

Der nächste Schritt bei Phased-Array-Radarsystemen besteht deshalb darin, die rein digitale Steuerung des Strahls zu erreichen (Digital Phased-Array Radar). Eine digitale Phased-Array-Konfiguration setzt voraus, dass jede Antenne über eigene Datenwandler verfügt.

Bei dieser Architektur kommt es zu keiner analogen Phasenverschiebung zwischen Antenne und Datenwandlern mehr. Stattdessen werden die Phasenverschiebung und die Strahlcharakteristik mit rein digitalen Funktionen implementiert.

Digitale Phasenverschiebung und digitale Strahlcharakteristik erlauben die Bildung mehrerer Strahlen und können außerdem die Nutzung mehrerer Frequenzbänder für das Multi-Target-Tracking oder simultane Abtastung ermöglichen.

Abgesehen von der Flexibilität spricht auch die Leistungsfähigkeit für einen Umstieg auf digitale Phased-Array-Lösungen. Dabei werden zum einen die unzureichenden analogen Phasenschieber und Strahlcharakteristik-Elemente durch präzise digitale Phasenverschiebungs- und Strahlcharakteristik-Lösungen ersetzt, um eine bessere Unterdrückung von Nebenkeulen zu erreichen.

Zum anderen verbessert sich wegen der Dekorellation des Rauschens von A/D- und D/A-Wandlern und der Störungen an jedem Antennenelement auch die Unterdrückung von Radar-Störflecken [2].

Größe, Leistungsaufnahme und Datenverarbeitung

Die Größe, die Leistungsaufnahme und die Datenverarbeitungsfähigkeiten bilden die größten Hindernisse bei der Realisierung digitaler Arrays. Alle Elemente, vom Datenwandler bis zu anderen analogen Komponenten, müssen so klein sein, dass sie jeweils eine halbe Wellenlänge voneinander entfernt platziert werden können (Tabelle 1).

Eine derart dichte Bestückung ruft allerdings thermische Probleme hervor und verlangt nach einer Senkung der Leistungsaufnahme. Schließlich erfordert digitale Strahlcharakteristik sehr viel mehr Rechenleistung als analoge. Dies liegt zum einen an der digitalen Phasenverschiebung und der digitalen Strahlcharakteristik, zum anderen aber auch an der von den A/D-Wandlern kommenden wesentlich größeren Datenmenge.

Für digitale Phased-Array-Radarsysteme kommen potenziell mehrere Architekturen in Frage. Zum Beispiel können diskrete Datenwandler mit FPGAs kombiniert und gemeinsam mit ihnen am Antennen-Array angeordnet werden.

Allerdings sind FPGAs nicht nur groß, sondern verbrauchen auch viel Strom und sind störintensiv – speziell bei höheren Verarbeitungsanforderungen. Es ist deshalb nicht sinnvoll, ein FPGA im Array in der Nähe empfindlicher analoger Bauteile zu platzieren.

Je nach Nutzungsweise kann ein FPGA Leistungen bis zu 10 W aufnehmen, was thermische Probleme verursacht und den Einsatz von Kühlkörpern oder anderer Entwärmungsmethoden erfordert.

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