Kształtowanie wiązki cyfrowej
Rysunek 1: Analogowe kształtowanie charakterystyki anteny
Kształtowanie wiązki cyfrowej
Analogowe kształtowanie charakterystyki anteny
Analogowe kształtowanie wiązki (w języku angielskim: Analogue Beamforming, ABF) oznacza, że sygnały odbierane przez każdy element antenowy anteny typu phased array są sumowane w fazie i amplitudzie już w antenie, bezpośrednio na częstotliwości nośnej sygnału nadawanego, w celu przetworzenia wspólnego sygnału w maksymalnie czterech scentralizowanych odbiornikach. Wzmacniają one sygnał i konwertują go na częstotliwość pośrednią lub od razu na pasmo podstawowe. Przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) przetwarzają sygnał IF lub sygnał wizyjny na postać cyfrową.
Rys. 2: Cyfrowe kształtowanie charakterystyki anteny
Cyfrowe kształtowanie charakterystyki anteny
Cyfrowe kształtowanie wiązki (anglicky: Digital Beamforming, DBF) jest architekturą odbiornika, w której indywidualny odbiornik jest podłączony albo do każdego elementu anteny, albo do małych grup antenowych macierzy fazowej. Konwersja do formatu cyfrowego jest również wykonywana indywidualnie dla każdego elementu anteny. Sumowanie odbywa się cyfrowo w specjalnym procesorze. Inherentny szum i zniekształcenia sygnału w każdym indywidualnym odbiorniku są dekoracyjnie powiązane w sumie..
Przy takim ustawieniu można zrealizować kilka niezależnych wiązek głównych skierowanych w różnych kierunkach dla każdego czasu odbioru. Inne zalety cyfrowego kształtowania charakterystyki anteny to:
- poprawiona dynamika odbiornika;
- szybka zmiana wzorca odbioru;
- szybsze i lepsze sterowanie amplitudami sygnałów i położeniem fazowym.
Jeśli do sterowania i zasilania zegara modułów antenowych wykorzystywane są bezprzewodowe łącza internetowe, wówczas mówi się o bezprzewodowym cyfrowym kształtowaniu wiązki. Prowadzi to do możliwości rozmieszczenia elementów antenowych w celu stworzenia rozproszonego systemu radarowego.
Rysunek 3: Znormalizowany modułowy moduł nadawczo-odbiorczy (SMTRM) (Za uprzejmą zgodą EADS Defence & Security Ulm)
Rysunek 3: Znormalizowany modułowy moduł nadawczo-odbiorczy (SMTRM)
(Za uprzejmą zgodą
Cassidian Ulm, dawniej
EADS Defence & Security)
Znormalizowane modułowe moduły nadawczo-odbiorcze (SMTRM)
Sercem cyfrowego kształtowania charakterystyki anteny są małe, znormalizowane moduły zawierające elementy wzmacniacza mocy nadawczej i toru odbiorczego. Nazywane są one znormalizowanymi modułowymi modułami nadawczo-odbiorczymi (Standardised Modular Transmit-/Receive-Module, SMTRM®) i są produkowane w dużych ilościach. Moduły te są stosowane jednocześnie jako dwukierunkowe wzmacniacze sygnału oraz do regulacji fazy i amplitudy. Dzięki zwartej budowie, straty liniowe podczas przetwarzania sygnału są niewielkie. Te moduły nadawczo-odbiorcze są uniwersalne i elastyczne, dzięki czemu mogą być stosowane nie tylko w jednym typie radaru, ale także w wielu typach radarów pracujących w paśmie X, począwszy od radarów naziemnych, takich jak radar naprowadzania rakiet kompleksu MEADS lub radar nadzoru naziemnego BÜR niemieckich sił zbrojnych, aż po wszystkie typy radarów lotniczych (np.: w radarze Eurofighter E-Captor) i radar kosmiczny TerraSAR-X.
SMTRM składa się z hermetycznie zamkniętej płytki drukowanej o długości 64,5 mm, szerokości 13,5 mm i wysokości 4,5 mm. Znajduje się na nim wzmacniacz mocy, cyrkulator ferrytowy, limiter/ogranicznik, przedwzmacniacz niskoszumowy oraz układy regulacji wzmocnienia i fazy. Elementy półprzewodnikowe, jak również opracowany specjalnie do tego zadania zintegrowany układ sterujący, zwany ASIC (Application Specific Integrated Circuit), zostały wykonane w monolitycznej technologii arsenku galu (GaAs). Jednakże, chłodzenie wielu takich modułów zamontowanych w ograniczonej przestrzeni może być problematyczne.
Procesor formowania wiązki
Ta możliwość jednoczesnego organizowania różnych schematów antenowych stała się możliwa dopiero dzięki technologii odbiornika cyfrowego, ponieważ tylko sygnały cyfrowe mogą być kopiowane dowolną ilość razy bez strat. W praktyce, odebrany sygnał jest przekształcany na częstotliwość pośrednią, a następnie natychmiast digitalizowany. Przy IF równym 75 MHz, przetwornik analogowo-cyfrowy wymaga częstotliwości próbkowania równej 100 MHz.
Rys. 4: Schemat blokowy procesora formowania wiązki
Rysunek 4 przedstawia schemat blokowy typowego procesora formowania wiązki. Każda pojedyncza antena w układzie fazowanym ma swój własny kanał odbiorczy, po którym następuje konwerter analogowo-cyfrowy, cyfrowy konwerter w dół (DDC) i specjalny filtr poprzeczny (filtr o skończonej odpowiedzi impulsowej, FIR) w celu wyrównania odpowiedzi częstotliwościowej i dostosowania indywidualnego opóźnienia propagacji w kanale odbiorczym dla prawidłowego sumowania. Filtr ten, zwany również filtrem o skończonej odpowiedzi impulsowej, jest dostrajany w specjalnym procesie kalibracji. W tym celu podawany jest sygnał testowy RF, który albo przemiata cały kanał (liniowa zmiana częstotliwości w całym paśmie), albo w tym celu na krótki czas podawany jest biały szum. W filtrze tym stosowane są również wagi niezbędne do tłumienia listków bocznych. Dane z przetwornika analogowo-cyfrowego wszystkich kanałów odbiorczych (na rysunku przyjęto liczbę 100 i odpowiada ona liczbie poszczególnych promienników w antenie) są podawane w postaci sygnału złożonego (I&Q) przez stopień przesuwnika fazowego do dowolnej liczby stopni sumujących, których liczba określa liczbę możliwych do jednoczesnego odbioru wzorców antenowych. Liczba M jednocześnie generowanych kierunków odbioru jest w zakresie od 8 do 12 dla lotniczych radarów rozpoznawczych z anteną obrotową.