www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Grondbeginselen

Digitale straalvorming

Analoge sommatie

Figuur 1: Analoge vormgeving van het antennepatroon

Analoge sommatie

Figuur 1: Analoge vormgeving van het antennepatroon

Digitale straalvorming

Analoge vormgeving van het antennepatroon

Analoge bundelvorming (engl.: Analogue Beamforming, ABF) houdt in dat de ontvangen signalen van elk antenne-element van een phased array antenne reeds in de antenne in fase en amplitude worden samengeteld, rechtstreeks op de draaggolffrequentie van het uitgezonden signaal, om een gemeenschappelijk signaal te verwerken in maximaal vier gecentraliseerde ontvangers. Deze versterken het signaal en zetten het om in een middenfrequentie of onmiddellijk in de basisband. Stroomafwaartse analoog/digitaal-omzetters (ADC) digitaliseren het IF- of videosignaal.

Digitale sommatie

Fig. 2: Digitale vormgeving van het antennepatroon

Digitale sommatie

Fig. 2: Digitale vormgeving van het antennepatroon

Digitale vormgeving van het antennepatroon

Digitale bundelvorming (DBF) is een ontvangerarchitectuur waarbij een individuele ontvanger is aangesloten op elk antenne-element of op kleine antennegroepen van de phased array-antenne. De omzetting in digitaal formaat gebeurt ook afzonderlijk voor elk antenne-element. De optelling gebeurt digitaal in een speciale processor. Inherente ruis en signaalvervorming in elke afzonderlijke ontvanger worden in de som gecorreleerd.

Met deze opstelling kunnen voor elke ontvangsttijd meerdere onafhankelijke hoofdbundels worden gerealiseerd die in verschillende richtingen wijzen. Andere voordelen van het digitaal vormgeven van het antennepatroon zijn:

Indien draadloze internetverbindingen worden gebruikt voor de besturing en klokvoeding van de antennemodules, dan spreekt men van draadloze digitale bundelvorming. Dit leidt dan tot de mogelijkheid om de antenne-elementen te verdelen om een gedistribueerd radarsysteem te vormen.

Figuur 3: Gestandaardiseerde modulaire zend-/ontvangmodule (Met de vriendelijke toestemming van EADS Defence & Security Ulm)

Figuur 3: Gestandaardiseerde modulaire zend-/ontvangmodule (SMTRM) (Met de vriendelijke toestemming van
Cassidian Ulm, voorheen EADS Defence & Security)

Gestandaardiseerde modulaire zend-/ontvangmodules (SMTRM)

Het hart van de digitale vormgeving van het antennepatroon wordt gevormd door kleine, gestandaardiseerde modules die elementen van de zendvermogenversterker en het ontvangstpad bevatten. Zij worden gestandaardiseerde modulaire zend-/ontvangmodules (Standardised Modular Transmit-/Receive-Module, SMTRM®) genoemd en worden in grote aantallen geproduceerd. Deze modules worden gelijktijdig gebruikt als bidirectionele signaalversterkers en voor fase- en amplituderegeling. Dankzij het compacte ontwerp zijn de lijnverliezen tijdens de signaalverwerking gering. Deze zend/ontvangmodules zijn veelzijdig en flexibel, zodat zij niet alleen voor één radartype kunnen worden gebruikt, maar ook in vele soorten radars die in de X-band werken, variërend van radars op de grond, zoals de raketgeleidingsradar van het MEADS-complex of de grondsurveillanceradar BÜR van de Duitse strijdkrachten, tot alle soorten radars in de lucht (b.v.: in de Eurofighter-radar E-Captor) en de TerraSAR-X ruimteradar.

De SMTRM bestaat uit een hermetisch gesloten printplaat van 64,5 mm lang, 13,5 mm breed en 4,5 mm hoog. Daarop staan een eindversterker, een ferriet-circulator, een begrenzer/limiter, een ruisarme voorversterker en versterkings- en faseregelingsschakelingen. De halfgeleiderelementen en een speciaal voor deze taak ontwikkelde geïntegreerde stuurschakeling, Application Specific Integrated Circuit ASIC genaamd, zijn ontworpen in monolithische galliumarsenide-technologie (GaAs). De koeling van een groot aantal van dergelijke modules die in een beperkte ruimte zijn gemonteerd, zal echter waarschijnlijk problemen opleveren.

Beamformingprocessor

Deze mogelijkheid om verschillende antennepatronen gelijktijdig te organiseren is alleen mogelijk geworden met de technologie van een digitale ontvanger, omdat alleen digitale signalen zo vaak als gewenst kunnen worden gekopieerd zonder verlies. In de praktijk wordt het ontvangen signaal omgezet in een middenfrequentie en vervolgens onmiddellijk gedigitaliseerd. Bij een IF van 75 MHz heeft de analoog-digitaal omzetter een bemonsteringsfrequentie van 100 MHz nodig.

Fig. 4: Blokschema van een beamformingprocessor

Fig. 4: Blokschema van een beamformingprocessor

Fig. 4: Blokschema van een beamformingprocessor

Figuur 4 toont een blokschema voor een typische beamformingprocessor. Elke afzonderlijke antenne van de phased array antenne heeft zijn eigen ontvangstkanaal, gevolgd door een analoog/digitaal-omzetter, een digitaal down-converter (DDC) en een speciaal transversaal filter (finite impulse response filter, FIR) om de frequentierespons gelijk te trekken en de afzonderlijke propagatievertraging in het ontvangstkanaal aan te passen voor een correcte optelling. Dit filter, ook wel een eindige-impulsresponsiefilter genoemd, wordt in een speciaal kalibratieproces afgesteld. Daartoe wordt een RF-testsignaal toegevoerd, dat ofwel het gehele kanaal sweept (een lineaire frequentieverandering over de gehele bandbreedte), ofwel voor dit doel gedurende korte tijd witte ruis invoert. Noodzakelijke wegingen voor het onderdrukken van zijlobben worden ook in dit filter uitgevoerd. De gegevens van de analoog-digitaal-omzetter van alle ontvangstkanalen (in de afbeelding wordt uitgegaan van 100 en dit aantal komt overeen met het aantal afzonderlijke stralers in de antenne) worden als een complex (I&Q) signaal via een faseverschuivingstrap ingevoerd in een willekeurig aantal sommatietrappen, waarvan het aantal bepalend is voor het aantal mogelijke antennepatronen dat gelijktijdig moet worden ontvangen. Het aantal M van gelijktijdig gegenereerde ontvangstrichtingen ligt in het bereik van 8 tot 12 voor verkenningsradars voor vliegtuigen met roterende antenne.