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Digital Beamforming

Bild 1: analoge Formgebung des Antennendiagramms

Digitale Summenbildung

Bild 2: digitale Formgebung des Antennendiagramms

Bild 3: Standardised Modular Transmit-/Receive-Module (SMTRM) (Mit freundlicher Genehmigung von EADS Defence & Security Ulm)

Bild 1: analoge Formgebung des Antennendiagramms

Digitale Summenbildung

Bild 2: digitale Formgebung des Antennendiagramms

Bild 3: Standardised Modular Transmit-/Receive-Module
(SMTRM) (Mit freundlicher Genehmigung von
Cassidian Ulm, ehemals EADS Defence & Security)

Digital Beamforming

Analoge Formung des Antennendiagramms

Unter einer analogen Formung des Antennendiagramms (engl.: Analogue Beamforming, ABF) versteht man, dass die empfangenen Signale eines jeden Antennenelementes einer Phased Array Antenne bereits in der Antenne direkt auf der Trägerfrequenz des Sendesignals in Phase und Amplitude summiert werden, um ein gemeinsames Signal in bis zu vier zentralisierten Empfängern zu verarbeiten. Diese verstärken das Signal und setzen es in eine Zwischenfrequenz oder gleich in das Basisband um. Nachfolgende Analog-to-Digital Converter (ADC) digitalisieren das ZF- oder Videosignal.

Digitale Formung des Antennendiagramms

Unter dem Begriff Digital Beamforming (DBF) wird eine Empfängerarchitektur verstanden, bei der entweder an jedem Antennenelement oder an kleinen Antennengruppen der Phased Array Antenne je ein individueller Empfänger geschaltet ist. Auch die Umsetzung in ein digitales Format geschieht individuell für jedes Antennenelement. Die Summenbildung erfolgt digital in einem speziellen Prozessor. Eigenrauschen und Signalverzerrungen in jedem einzelnen Empfänger sind in der Summe dekorreliert.

Mit diesem Aufbau können für jede Empfangszeit mehrere unabhängige Hauptkeulen die in verschiedene Richtungen zeigen können, realisiert werden. Weitere Vorteile einer digitalen Formung des Antennendiagramms sind:

Wenn für die Steuerung und Taktversorgung der Antennenmodule drahtlose Internetverbindungen genutzt werden, dann spricht man von Wireless Digital Beamforming. Das führt dann zur Möglichkeit der Verteilung der Antennenelemente zu einem Distributed Radar System.

Standardised Modular Transmit-/Receive-Module (SMTRM)

Kernstück der digitalen Formung des Antennendiagramms sind kleine, standardisierte Module, die Elemente des Sendeleistungsverstärkers und des Empfangsweges beinhalten. Sie werden Standardisierte Modulare Transmit-/Receive-Module (SMTRM) genannt und in hoher Stückzahl produziert. Diese Module werden gleichzeitig als bidirektionale Signalverstärker sowie zur Phasen- und Amplitudensteuerung eingesetzt. Durch die kompakte Bauweise sind die Leitungsverluste während der Signalverarbeitung gering. Diese T/R-Module sind vielseitig und flexibel einsetzbar, sodass sie nicht nur für einen Radargerätetyp verwendet werden, sondern in vielen Radargerätetypen die im X-Band arbeiten, angefangen vom bodengestützen Radar wie im Raketenleitradar des MEADS- Komplexes oder im Boden-Überwachungsradar BÜR der Bundeswehr über alle Arten luftgestützter Radare (z.B.: in dem Eurofighter-Radar E-Captor) bis hin zu dem TerraSAR-Weltraumradar unverändert zum Einsatz kommen können.

Das SMTRM besteht aus einer hermetisch verschlossenen Platine mit 64,5 mm Länge, 13,5 mm Breite und 4,5 mm Höhe. Darauf befindet sich ein Leistungsverstärker, ein Ferritzirkulator, ein Limiter/Begrenzer, ein rauscharmer Vorverstärker sowie Verstärkungs- und Phasenregelschaltungen. Die Halbleiterelemente sowie ein spezieller für diese Aufgabe entwickelter integrierter Steuerschaltkreis, der als Application Specific Integrated Circuit ASIC bezeichnet wird, sind in monolithischer Gallium-Arsenid (GaAs) Technologie ausgeführt. Problematisch dürfte allerdings die Kühlung von vielen derartigen auf engstem Raum montierten Modulen sein.

Beamform Prozessor

Diese Möglichkeit, verschiedene Antennendiagramme gleichzeitig zu organisieren ist erst möglich geworden mit der Technologie eines digitalen Empfängers, denn nur digitale Signale können verlustfrei beliebig oft kopiert werden. In der Praxis wird das Empfangssignal in eine Zwischenfrequenz umgesetzt und dann sofort digitalisiert. Bei einer ZF von 75 MHz benötigt der Analog-Digital-Converter eine Samplingfrequenz von 100 MHz.

Bild 4: Blockschaltbild eines Beamforming Prozessors

Bild 4: Blockschaltbild eines Beamforming Prozessors

Bild 4: Blockschaltbild eines Beamforming Prozessors

Das Bild 4 zeigt ein Blockschaltbild für einen typischen Beamforming Prozessor. Jede Einzelantenne der Phased-Array Antenne hat einen eigenen Empfangskanal gefolgt von einem Analog-Digital Converter, einem digitalen Downconverter (DDC) und einem speziellen Transversalfilter (englisch: finite impulse response filter, FIR) zur Entzerrung des Frequenzganges und zur Anpassung der individuellen Laufzeitverzögerung in dem Empfangskanal für eine korrekte Summenbildung. Dieses auch als Filter mit endlicher Impulsantwort bezeichnete Filter wird in einem speziellen Kalibriervorgang abgestimmt. Dazu wird ein HF-Testsignal eingespeist, welches entweder den gesamten Kanal durchwobbelt (eine lineare Frequenzänderung über die gesamte Bandbreite) oder es wird für diesen Zweck kurzzeitig ein weißes Rauschen eingespeist. Notwendige Wichtungen für eine Unterdrückung von Nebenkeulen werden ebenfalls in diesem Filter vorgenommen. Die Daten des Analog-Digital Converters aller Empfangskanäle (im Bild wird die Anzahl mit 100 angenommen) werden als komplexes (I&Q) Signal über eine Phasenschieberstufe in einer beliebigen Anzahl von Summierstufen eingespeist, deren Anzahl die Anzahl der möglichen gleichzeitig zu empfangenen Antennendiagramme bestimmt.