Проектирование РЛС с АФАР нового поколения

Мы продолжаем публиковать материалы, в которых освещаются тенденции и технологии в области создания ПО для радиолокационных комплексов. Предлагаем вашему вниманию подготовленный нашими специалистами перевод статьи Design Challenges of Next-Generation AESA Radar, опубликованной в журнале Microwave Journal. В статье рассматриваются технологии автоматизации электронного проектирования РЛС с ФАР и АФАР и приводятся примеры расширений среды разработки от NI AWR, поддерживающих АФАР нового поколения и РЛС с АФАР.

Автор: Dr. Gent Paparisto, AWR Group, NI.

Источник: http://www.microwavejournal.com/articles/28192-design-challenges-of-next-generation-aesa-radar

Краткий обзор
Фазированные антенные решетки (ФАР) первоначально использовались в составе военных РЛС для сканирования воздушного пространства в поиске самолетов и ракет. Благодаря возможности применения в различных областях и появлению активных фазированных антенных решеток (АФАР) РЛС сегодня используются на спутниках и БПЛА. В связи с появлением новых носителей повышаются требования к размерам и производительности, а соответствовать им позволяют новые архитектуры, радиочастотные технологии и методы обработки сигналов, в т. ч. усилители на базе нитрида галлия (GaN); монолитные интегральные схемы СВЧ-диапазона (СВЧ МИС) и устройства на их базе; гетерогенная интеграция, позволяющая обойти закон Мура; дешевые приёмопередатчики, новая микроэлектроника для работы с КВЧ-диапазоном и повсеместное внедрение электронной оптики.¹

Для поддержания темпов развития также совершенствуются технологии автоматизации электронного проектирования, чтобы обеспечить разработчиков архитектурами, спецификациями, возможностью натурного воплощения отдельных компонент и контрольными проверками перед прототипированием. В статье рассматриваются тенденции развития этих технологий и приводятся примеры расширений среды разработки от NI AWR, поддерживающих АФАР нового поколения и РЛС с АФАР.

Технология ФАР
РЛС с АФАР состоит из отдельных излучателей на основе твердотельных модулей приема/передачи с малошумящим приемником, усилителем, а также элементами цифрового управления фазой/задержкой и коэффициентом усиления. Регулирование фазы и амплитуды входного сигнала обеспечивает управление диаграммой направленности антенны (ДНА) как по дальности, так и по азимуту, позволяя ориентировать главный лепесток ДНА в целевом направлении. В отличие от механически управляемой РЛС фазовая решетка вращает ДНА в пространстве практически без задержек. Цифровое управление усилением модуля приема/передачи и синхронизацией обеспечивает не только динамичное управление лучом, но и быстрое переключение режимов радиолокации с крайне малыми боковыми лепестками, что в итоге дает значительное снижение ЭПР антенны в сравнении с пассивной ФАР и механически управляемыми антеннами.²

Ширина луча зависит от количества элементов в решетке. С повышением количества элементов (датчиков) в решетке повышается «острота» луча и эффективность распознавания небольших целей. Сегодня РЛС с АФАР состоят из тысяч элементов, взаимодействующих между собой посредством сложных структур, разработанных для снижения размеров/веса и повышения производительности, другими словами – для снижения потерь.

Формирование модулирующего сигнала на более низких частотах (<10 ГГц) с увеличением длины волны и как следствие пространственного разнесения, размера антенны, промежуточной частоты и несущего сигнала может осуществляться с помощью модульных компонентов и типовых СВЧ МИС. Длина линий передач компенсируется сниженными потерями на данных частотах, а сопряжение с антенной можно считать независимым от ИС по причине гибких требований к сборке элементов. Однако в диапазоне КВЧ (>30 ГГц) антенны с малым пространственным разнесением, малыми потерями на корпусе и контролем импеданса обеспечивают высокий функционал ИС и делают их сложные версии более привлекательными для использования. Разработка таких сложных схем для ВЧ-сигнализации должна осуществляться на основе программ моделирования с анализом электромагнитного спектра для дальнейшего применения в РЧ- и СВЧ-электронике.³

Развивая технологии интеграции

Рис.1 РЛС с АФАР AN/APG-80-F-16 компании Northrup Grumman демонстрирует только половину всех элементов решетки

Имея много преимуществ, АФАР являются чрезвычайно сложными в проектировании и производстве, требуя единовременных затрат на разработку больше, чем обычные антенны. Высокие затраты обусловлены большим количеством активных электронных модулей в конструкции, число которых может составлять от сотен до нескольких тысяч на единицу продукции, часто реализуемых на базе СВЧ МИС из арсенида галлия (GaAs) (от 5 до 10 на систему), как представлено на рисунке 1.

Изначально финансируемая и разрабатываемая при поддержке Министерством обороны США в 1980-1990 гг. технология СВЧ МИС на базе GaAs была пригодна только для плотных конструкций (поперечное сечение <1 см) модулей приема/передачи, работающих на частоте 10-20 ГГц. Достижения в разработке СВЧ МИС стали возможны благодаря более мощному программному обеспечению и малому потреблению мощности. Это позволило инженерам разрабатывать с большей точностью сложные схемы и библиотеки РЧ-блоков. Если ранее разработка СВЧ МИС была нацелена на комбинирование от десятков до сотен активных и пассивных компонентов (транзисторы, PIN-диоды, резисторы, конденсаторы и дроссели) на одной подложке из GaAs, то сегодня функциональные возможности АФАР комбинируются с такими радиолокационными блоками, как малошумящие усилители, усилители мощности, блоки переключения и фазовращатели с одноканальной или многоканальной МИС. Еще бóльший функционал/плотность уровней достигается с помощью многокристальных модулей при использовании новейших материалов, устройств и методов интеграции.

Рис.2 110 ГГц-передатчик ФАР на пластине 4х4

Отдел микросистемных технологий DARPA занимается двумя программами по исследованию интеграции устройств следующего поколения: «Комбинированные материалы на основе кремния» (Compound Semiconductor Materials on Silicon, COSMOS) и «Доступная разнотипная гетерогенная интеграция» (Diverse Accessible Heterogeneous Integration, DAHI). Первая программа направлена на изучение новых методов полной интеграции полупроводниковых материалов или полупроводников категории III-V с современными схемами на основе КМОП-структур. Вторая, продолжая работу первой, разрабатывает процессы гетерогенной интеграции для комбинирования передовых устройств на основе полупроводников категории III-V вместе с инновационными материалами и устройствами на основе кремниевых КМОП-структур с большой плотностью.⁴

Технология интеграции достигла значительных успехов за последние 10 лет. В 2006 г. в рамках программы DARPA «Интегрированный датчик – структура» (Integrated Sensor is Structure, ISIS) Научно-исследовательский институт штата Джорджия разработал четырехканальный модуль приема/передачи на базе кремний-германия (SiGe) с управляющей схемой на одном кристалле со стоимостью $10 за модуль. В 2008 г. исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего осуществили колоссальный скачок в производительности системы и высокий уровень плотности конструкции с первым РЧ-формированием сигнала SiGe на 6-18 ГГц, схемой приемника ФАР из 8 антенных элементов с 5-битным управлением фазы и встроенным в кристалл смесителем 8:1.⁵ В 2009 г. был создан передатчик ФАР из 16 элементов, работающий на 45-50 ГГц, а в 2013 г. – 110 ГГц-передатчик ФАР на пластине 4х4 ⁶ с высокоэффективными встроенными в кристалл антеннами (см. рис.2).

Достижения в развитии технологий на основе GaN
Пока ФАР приобретают вид кремниевых кристаллов, поддерживающих множество излучателей, в случаях с высокими требованиями к производительности (особенно, к показателям шумов и выходной мощности) предпочтительными решениями оказываются комбинации кремния с ВЧ-трактом из полупроводников категории III-V. Все чаще GaN вытесняет GaAs как материал для мощных и широкополосных ВЧ-трактов. СВЧ МИС на базе GaN составляет от 1/3 до 1/4 всего размера эквивалентной по мощности МИС на базе GaAs. Плотность мощности компенсирует в два раза бóльшую стоимость пластины GaN в сравнении с пластиной на GaAs: всего 50-56 % от стоимости пластины GaAs на произведенный Ватт мощности. Поскольку стоимость GaN продолжает падать, ожидается повсеместный отказ от использования GaAs-пластин в ФАР.⁷

Увеличивающийся поток инвестиций в полупроводники с широкой запрещенной зоной ведет к переходу силовой электроники на новый уровень, нарушая закон Мура. Исследователи стремятся улучшить GaN-технологии гетерогенным интегрированием GaN на поверхности кремниевых пластин. Так, интеграция GaN-технологий на бóльшие кремниевые пластины и стандартные процессы производства обеспечат богатый функционал и высокую производительность при меньших финансовых затратах. Все это требует от разработчиков правильного выбора технологий для достижения наилучшего результата.

Несмотря на то, что плотность СВЧ МИС на основе GaAs намного меньше в сравнении с кремниевыми ИС, разработка ВЧ-электроники требует тщательного изучения процессов взаимодействия и моделирования электромагнитной совместимости для расчета паразитных помех, которые могут привести к некорректной работе. Среда проектирования NI AWR Design Environment позволяет моделировать устройство, топологию компонентов и их соединения, т.е. основную часть разработки РЧ/СВЧ-схем. В связи с развитием технологий и повышением уровня интеграции анализ на данном этапе имеет важное значение для успешной разработки СВЧ МИС.

Развитие кремниевых технологий и технологий на основе III-V-полупроводников отвечает требованиям нового поколения ФАР к размеру и функционалу, однако высокая плотность транзисторов повышает требования к качеству обработки пластин, поскольку выход из строя одного транзистора из сотни из-за производственного дефекта означает выход из строя всей системы. В результате построение СВЧ/РЧ-схем на кристалле требует установления строгих правил расположения элементов и их соединений. Для качественной разработки необходимо проведение детальной проверки и всестороннего анализа на этапе проектирования с целью определения производственных допусков.

Комплексное моделирование при проектировании ФАР
Проблемы при проектировании и высокие затраты на разработку часто объясняются неспособностью высокоуровневых инструментов точно моделировать взаимодействие множества отдельных, но взаимосвязанных каналов. Создание полных или частичных тестовых прототипов оборудования дорого и с точки зрения производства, и с точки зрения проведения испытаний. Такая проблема будет лишь усугубляться с усилением интеграции ФАР и систем электронного управления ДНА.

Таким образом, разработка обычно ограничивается демонстрацией опытного образца, а несоответствие техническим требованиям приводит к недопустимому числу стадий разработки и испытаний всей системы. Комплексное моделирование стало необходимым. Поскольку производительность ФАР не зависит только от антенны или только от поведения СВЧ-электроники, для точного прогнозирования поведения всей системы моделирование должно учитывать их совместную работу.

Зачастую высокоуровневый анализ осуществляется с использованием пользовательских настроек: таблицы с расчетными данными или общие математические вычисления. Как правило, такие настройки различаются по сложности в зависимости от сферы использования. Т. е. пользовательские инструменты настройки используются для установления порогов производительности подсистемы (СВЧ МИС/антенн/пассивных и активных РЧ-систем).

Тщательный анализ предлагает программное обеспечение Visual System Simulator™ (VSS) для разработки коммуникационных систем, интегрирующее показатели производительности каждого компонента системы с ФАР для оценки производительности всей системы (см. рис. 3). На этапе проектирования такой анализ мог бы использоваться для определения топологии системы и технических требований для каждого компонента. С появлением более детальных моделей подсистемы такой анализ может быть использован в полном анализе системы для получения более точных данных.

Рис.3. VSS при моделировании ФАР анализирует излучаемую мощность в зависимости от уровней питания, энергетический баланс радиолинии и симулирует сигналы, используемые системой.

VSS предлагает ряд возможностей для полного анализа АФАР, а моделирование показывает, например, зависимость производительности системы от направления луча, конструкции антенны и активных/пассивных элементов цепи, используемых в управлении лучом.

Системный анализ позволяет разработчикам:

• оценивать производительность ФАР на определенных диапазонах, уровнях мощности и/или частотах;
• определять различные показатели для анализа энергетического баланса: каскадное усиление, ближнее поле, P1dB, номинальный коэффициент добротности;
• анализировать чувствительность аппаратуры к неисправностям по построенным графикам зависимостей;
• моделировать сквозную работу системы с использованием всей модели ФАР.

Кроме того, анализ параметров позволяет разработчику принимать решение о внесении изменений в систему, чтобы в итоге эффективно сбалансировать стоимость и производительность разрабатываемой системы. Анализ параметров затрагивает технические требования к модулям приема/передачи, оценку фазового сдвига (число ошибочных бит), изучение вопроса выбора схемы смесителя/делителя, модуляции сигнала на резистивных или реактивных элементах, количества антенных элементов и расстояние между ними.

Также в VSS возможно моделирование ФАР, состоящих из тысяч антенных элементов с использованием конфигураций различных стандартов или любых пользовательских. Поведение ФАР легко задается с помощью ввода параметров посредством диалогового окна или загрузки файла: смещения фазы, коэффициента усиления, угловых координат (θ/φ), местоположения x/y (единицы длины или параметр относительно λ) и частоты сигнала. Модель ФАР может устанавливаться как в режим приемника (Rx), так и передатчика (Tx). В режиме Tx мощность возбуждения рассчитывается на основе пользовательских настроек сигнала, включающих опции:

• Lossless: возбуждает все элементы решетки мощностью входного сигнала;
• делитель мощности: входной сигнал одинаково делится между всеми элементами решетки;
• делитель напряжения: входной сигнал поровну делится между всеми элементами решетки таким образом, что сумма значений напряжения на всех элементах равна входному напряжению.

Регулирование значения амплитуды напряжения возбуждения посредством плавного усиления часто используется для формирования луча и снижения уровня боковых лепестков. Обычно в блоке ФАР реализуются плавное линейно спадающее амплитудное распределение. Коэффициент амплитудного распределения показывает, нормализовано ли плавное усиление на излучателях. Обычно плавно спадающее амплитудное распределение реализуются моделью ФАР, включающей антенные решетки Дольфа-Чебышева с N-параметрическим амплитудным распределением Тейлора Хансена и равномерным распределением. Кроме того, пользователь может задавать произвольное амплитудное распределение, регулируя усиление (дБ) и фазу для каждого элемента решетки, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Линейный спад амплитудного распределения при управлении ДНА и боковыми лепестками

Помимо моделирования различных типов распределения сигнала и частотно-зависимой работы, ФАР модель позволяет симулировать возможные сбои в работе решетки из-за производственных дефектов или некорректной работы ее элементов. Расчеты коэффициента усиления, фазы осуществляются как на компонентном уровне, так и на уровне всего блока для формирования более глубокой оценки чувствительности к отклонениям любого из параметров ФАР.

Диалоговое окно для ввода параметров позволяет пользователю определять архитектуру ФАР на основе стандартных или пользовательских моделей. Опция управления сеткой позволяет построить ФАР поэлементно вдоль осей x и y: nx и ny — расстояния между элементами, dx и dy — расстояние между элементами относительно осей, cγ — угол между осями (γ = 90^о устанавливает прямоугольную сетку, а 60^о – треугольную).

Любое положительное значение γ конфигурирует ФАР в виде решетки, но с помощью опции управления можно сконфигурировать и круговые ФАР с одним или несколькими кругами. Например, количество элементов в каждом концентрическом круге и радиус каждого из них могут быть заданы как вектор переменными nc и r. Примеры обеих конфигураций представлены на рисунке 5.

Рис. 5 Обычные модели геометрии ФАР в VSS: а) решетчатая и b) круговая

Разработчики могут устанавливать коэффициенты усиления или ДНА для каждого антенного элемента ФАР (см. рис. 6), что позволяет использовать различные варианты ДНА для внутренних, крайних и угловых элементов. ДНА каждого антенного элемента зависит от его расположения в ФАР, что можно измерить в лабораторных условиях или же рассчитать методом конечных элементов в 3D и любых произвольных плоскостях в интегрированных симуляторах электромагнитной среды AXIEM и Analyst™. В качестве простейшей модели можно рассмотреть ФАР с конструкцией 3х3, возбуждая один элемент (внутренний, крайний или один из угловых) и заканчивая всеми, а затем полученные результаты сохранятся в файле выходных данных. Такой подход учитывает взаимные влияния с соседними элементами первого порядка. Для изучения взаимных влияний дальних порядков можно расширить данную модель до 5х5.

Рис. 6. Микрополосковая антенна с одним элементом.

VSS обладает очень важной функцией: моделирование РЧ-тракта отдельных элементов ФАР, что необходимо в связи с влиянием РЧ-тракта на всю систему. Так, например, при линейно спадающем амплитудном распределении, обычно применяемом в ФАР, РЧ-тракты могут повлиять на работу элементов с большим коэффициентом усиления: заставить работать с отклонением от линейной области. В качестве альтернативы разработчики могут использовать различные РЧ-тракты для различных элементов. Несмотря на сложность реализации, это повышает производительность всей ФАР. Моделирование ФАР в VSS дает возможность разработчикам добиться либо единообразия РЧ-трактов для всех элементов, либо при использовании различных РЧ-трактов отслеживать потери в производительности на каждом элементе. Таким образом, VSS предлагает уникальные функции.

Заключение
С усложнением конструкций АФАР, увеличением их составных элементов и развитием электроники критически важными становятся разработка и тестирование систем на соответствие техническим требованиям каждого элемента и тракта передачи данных. Для решения таких задач программное обеспечение компании NI AWR предлагает на одной платформе проектирование, моделирование поведения системы, анализ электромагнитной совместимости, позволяя команде разработчиков оценивать производительность создаваемых систем и взаимодействие элементов системы еще до прототипирования.

Список литературы:
[1] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3928903/
[2] http://www.ausairpower.net/aesa-intro.html
[3] Xiaoxiong Gu et al., “W-Band Scalable Phased Arrays for Imaging and Communications,” IEEE Commun. Mag., April 2011, pp. 196-20.
[4] Sanjay Raman et al., “The DARPA Diverse Accessible Heterogeneous Integration (DAHI) Program: Towards a Next-Generation Technology Platform for High-Performance Microsystems”, CS MANTECH Conference, April 23rd - 26th, 2012, Boston, Massachusetts, USA
[5] http://www.microwavejournal.com/articles/4757-an-eight-element-6-to-18-ghz-sige-bicmos-rfic-phased-a...
[6] http://phys.org/news/2012-04-silicon-wafer-scale-ghz-phased-array.html
[7] Mike Harris et al., “GaN-based Components for Transmit/Receive Modules in Active Electronically Scanned Arrays”, CS MANTECH Conference, May 13th - 16th, 2013, New Orleans, Louisiana, USA