Beamforming digitale
Figura 1: Modellamento analogico del diagramma d’antenna
Beamforming digitale
Beamforming analogico
Il beamforming analogico (in inglese: Analogue Beamforming, ABF) significa che i segnali ricevuti da ogni elemento di un’antenna phased array sono sommati in fase e ampiezza già nell’antenna direttamente sulla frequenza portante del segnale trasmesso per elaborare un segnale comune in un massimo di quattro ricevitori centralizzati. Questi amplificano il segnale e lo convertono ad una frequenza intermedia o immediatamente alla banda base. I convertitori analogico-digitali (ADC) a valle digitalizzano il segnale IF o video.
Fig. 2: Modellazione digitale del diagramma d’antenna
Beamforming digitale
Beamforming digitale (in inglese: Digital Beamforming, DBF) è un’architettura del ricevitore in cui un ricevitore individuale è collegato ad ogni elemento dell’antenna o a piccoli gruppi di antenne dell’antenna phased array. Anche la conversione in un formato digitale è fatta individualmente per ogni elemento dell’antenna. La somma è fatta digitalmente in un processore speciale. Il rumore intrinseco e la distorsione del segnale in ogni singolo ricevitore sono decorrelati nella somma.
Con questa configurazione, diversi fasci principali indipendenti che puntano in direzioni diverse possono essere realizzati per ogni tempo di ricezione. Altri vantaggi del modellamento digitale del pattern dell’antenna sono:
- una migliore dinamica del ricevitore;
- veloce cambio di schema di ricezione;
- un controllo migliore e più veloce delle ampiezze del segnale e delle posizioni di fase.
Se le connessioni internet wireless sono utilizzate per il controllo e l’alimentazione dell’orologio dei moduli dell’antenna, allora si parla di beamforming digitale wireless. Questo porta poi alla possibilità di distribuire gli elementi dell’antenna per formare un sistema radar distribuito.
Figura 3: Modulo modulare standardizzato di trasmissione/ricezione (SMTRM) (Con la gentile concessione di EADS Defence & Security Ulm)
Figura 3: Modulo modulare standardizzato di trasmissione/ricezione (SMTRM)
(Con la gentile concessione di
Cassidian Ulm, ex
EADS Defence & Security)
Moduli modulari standardizzati di trasmissione/ricezione (SMTRM)
Nel cuore del modellamento digitale del modello d’antenna ci sono piccoli moduli standardizzati che contengono elementi dell’amplificatore di potenza di trasmissione e del percorso di ricezione. Si chiamano Moduli Modulari Standardizzati di Trasmissione/Ricezione (Standardised Modular Transmit-/Receive-Module, SMTRM®) e sono prodotti in gran numero. Questi moduli sono usati simultaneamente come amplificatori di segnale bidirezionali e per il controllo della fase e dell’ampiezza. Grazie al design compatto, le perdite di linea durante l’elaborazione del segnale sono basse. Questi moduli di trasmissione/ricezione sono versatili e flessibili, così che possono essere utilizzati non solo per un tipo di radar, ma anche in molti tipi di radar che operano nella banda X, che vanno dai radar di terra come il radar di guida dei missili del complesso MEADS o il radar di sorveglianza di terra BÜR delle forze armate tedesche, a tutti i tipi di radar aerei (ad esempio: nel radar Eurofighter E-Captor) e il radar spaziale TerraSAR-X.
L’SMTRM consiste in un circuito chiuso ermeticamente lungo 64,5 mm, largo 13,5 mm e alto 4,5 mm. Su di esso c’è un amplificatore di potenza, un circolatore di ferrite, un limitatore/limitatore, un preamplificatore a basso rumore e circuiti di controllo del guadagno e della fase. Gli elementi semiconduttori così come uno speciale circuito di controllo integrato sviluppato per questo compito, chiamato Application Specific Integrated Circuit (ASIC), sono progettati in tecnologia monolitica all’arseniuro di gallio (GaAs). Tuttavia, il raffreddamento di molti di questi moduli montati in uno spazio ristretto è probabilmente problematico.
Processore Beamforming
Questa possibilità di organizzare diversi schemi d’antenna simultaneamente è diventata possibile solo con la tecnologia di un ricevitore digitale, perché solo i segnali digitali possono essere copiati tutte le volte che si vuole senza perdite. In pratica, il segnale ricevuto viene convertito in una frequenza intermedia e poi immediatamente digitalizzato. Con una IF di 75 MHz, il convertitore analogico-digitale richiede una frequenza di campionamento di 100 MHz.
Fig. 4: Schema a blocchi di un processore beamforming
La Figura 4 mostra uno schema a blocchi per un tipico processore di beamforming. Ogni singola antenna dell’antenna phased array ha il proprio canale di ricezione seguito da un convertitore analogico-digitale, un down-converter digitale (DDC) e uno speciale filtro trasversale (filtro a risposta impulsiva finita, FIR) per equalizzare la risposta in frequenza e per regolare il ritardo di propagazione individuale nel canale di ricezione per una corretta somma. Questo filtro, chiamato anche filtro a risposta impulsiva finita, è sintonizzato in uno speciale processo di calibrazione. A questo scopo, viene alimentato un segnale di prova RF che spazza l’intero canale (un cambiamento di frequenza lineare su tutta la larghezza di banda) o viene alimentato del rumore bianco per un breve periodo di tempo a questo scopo. Le ponderazioni necessarie per sopprimere i lobi laterali sono anche effettuate in questo filtro. I dati del convertitore analogico-digitale di tutti i canali di ricezione (nell’immagine il numero è supposto essere 100 e corrisponde al numero di radiatori individuali nell’antenna) sono alimentati come un segnale complesso (I&Q) ) attraverso uno stadio sfasatore in un numero qualsiasi di stadi sommatori, il numero dei quali determina il numero di possibili modelli di antenna da ricevere simultaneamente. Il numero M di direzioni di ricezione generate simultaneamente è compreso tra 8 e 12 per i radar di ricognizione aerea con antenna rotante.