A digitális antennatömb (DA) (digitális jelfeldolgozással rendelkező antennatömb) egy elemenkénti jelfeldolgozással ellátott antennatömb [1] , amelyben a sugárzó elemek jeleit analóg-digitális átalakításnak vetik alá, majd feldolgozzák. bizonyos algoritmusok szerint [2] .
A CAR általánosabb meghatározása magában foglalja a digitális sugárformálást a jelek vételéhez és továbbításához egyaránt:
A digitális antennatömb (DA) egy passzív vagy aktív antennarendszer, amely analóg-digitális (digitális-analóg) csatornák halmaza közös fázisközépponttal, amelyben a sugárformálás digitális formában, fázis használata nélkül történik. váltókarok [3] . A külföldi szakirodalomban ezzel egyenértékű angol kifejezéseket használnak . digitális antennatömb vagy eng. intelligens antenna [4]
A CAR és az aktív fázisú antenna (AFAR) típusa közötti különbség az információfeldolgozás módszereiben rejlik. Az AFAR egy adó-vevő modulon (RPM) alapul, amely két csatornát tartalmaz: vételt és adást. Minden csatornában egy erősítő van felszerelve, valamint két eszköz az amplitúdó-fáziseloszlás szabályozására: egy fázisváltó és egy csillapító .
A digitális antennatömbökben minden csatornában egy-egy digitális adó-vevő modult telepítenek, amelyben az analóg jelamplitúdó- és fázisvezérlő rendszert digitális jelszintézis és -elemző rendszer ( DAC / ADC ) helyettesíti [3] [5] [6] [ 7] [8] .
A digitális antennatömbök (DAA) elmélete a többcsatornás elemzés (Multichannel Estimation) elméleteként jött létre [9] [10] . Eredete az 1920 -as évekre nyúlik vissza, az akkor kidolgozott módszerekből, amelyek segítségével két antenna kombinációjával meghatározták a rádiójelek érkezési irányát azok kimeneti feszültségének fáziskülönbsége vagy amplitúdója alapján. Ugyanakkor egy-egy jel érkezési irányát a számlapjelzők leolvasása vagy az oszcilloszkóp képernyőjén lévő nyaláb által rajzolt Lissajous-figurák alakja alapján becsülték meg . Ilyen például a [11] kiadvány . A legegyszerűbb szabadalomkeresés több tucat szabadalomra bukkan, amelyek hasonló műszaki megoldásokat használnak radarok , rádiós iránymérők és navigációs segédeszközök esetében. Beszélünk például az úgynevezett fázis-összehasonlító iránykeresőről (US szabadalom 2423437) vagy amplitúdó-összehasonlító iránykeresőről (US szabadalom 2419946) [9] [10] .
Az 1940- es évek végén ez a megközelítés vezetett a háromcsatornás antennaelemzők elméletének megjelenéséhez, amely egy rendszer megoldásával megoldást adott a légi célpont és az alatta lévő felületről visszaverődő „antipód” jeleinek szétválasztására. háromcsatornás jelkeverék komplex feszültségeiből képzett egyenletek [12] . A hasonló háromantennás készülékkel végzett kísérleti mérések eredményeit Frederick Brooks tette közzé 1951-ben [13] .
Az 1950-es évek végére az ilyen jellegű radarproblémák megoldásának egyre bonyolultabbá válása megteremtette az elektronikus számítástechnika alkalmazásának előfeltételeit ezen a területen [9] . [10] . Például 1957-ben Ben S. Meltont és Leslie F. Bailey [14] cikke jelent meg , amelyben az algebrai jelfeldolgozási műveletek végrehajtási lehetőségeit javasolta elektronikus áramkörök segítségével, amelyek analógjai, egy gépi korrelátor létrehozása érdekében. gépi korrelátor) vagy analóg számítógépen alapuló jelfeldolgozó számítógép. Valójában ez létrehozta a vevő rendszer és a jelparaméterek becslésére szolgáló speciális számológép szimbiózisát.
A digitális technológia analóg számítástechnikai eszközeinek felváltása szó szerint három évvel később, 1960-ban abban az ötletben testesült meg, hogy nagy sebességű számítógépet kell használni egy iránymeghatározási probléma megoldására, kezdetben a földrengés helyének meghatározásával kapcsolatban. epicentrum [9] [10] . B. A. Bolt [15] , aki ezt az ötletet elsőként ültette át a gyakorlatba, programot írt az IBM 704-hez a legkisebb négyzetek módszerén alapuló szeizmikus iránymeghatározásra. Szinte vele egy időben hasonló megközelítést alkalmazott az Australian National University Flynn egyik munkatársa [16] .
Annak ellenére, hogy ezekben a kísérletekben az érzékelők és a számítógép közötti interfész lyukasztott adatbeviteli kártyákkal valósult meg, egy ilyen megoldás döntő lépés volt a CAR megjelenése felé. Továbbra is csak az érzékelőelemektől kapott digitális adatok számítógépbe történő közvetlen betáplálásának a megoldása maradt hátra , kizárva a lyukkártyák elkészítésének szakaszát és a kezelő plusz linkként való részvételét. Ugyanakkor a szenzoros szenzorok tömbjéből származó információk feldolgozásának javítása problémájának megoldása a velük integrált számítógép szoftverének kifejlesztésére csökkenthető [9] [10] . Ettől a pillanattól kezdve a hasonló megoldások bármilyen rádiótechnikai alkalmazásban megismételhetők.
A Szovjetunióban láthatóan Polikarpov B.I. számítógépei határozták meg a jelforrások szögkoordinátáit az első, aki felhívta a figyelmet a többcsatornás analizátorok lehetőségeire . Polikarpov B. I. rámutatott az antennarendszer főlebenyének szélességénél kisebb szögtávolságú jelforrások feloldásának alapvető lehetőségére [9] [10] .
A sugárforrások szuper-Rayleigh-felbontásának problémájára azonban csak 1962 -ben javasoltak konkrét megoldást Varjuhin V. A. és Zablotsky M. A. , akik feltaláltak egy megfelelő módszert az elektromágneses tér forrásai irányának mérésére [18] . Ez a módszer az amplitúdó-, fázis- és fázisamplitúdó többcsatornás analizátorok kimenetein lévő komplex feszültségamplitúdók eloszlásában lévő információk feldolgozására épült, és lehetővé tette a főlebeny szélességén belül elhelyezkedő források szögkoordinátáinak meghatározását. a vevőantennarendszer [9] [10] .
Később Varyukhin V. A. kidolgozta a többcsatornás analizátorok általános elméletét, amely az antennatömb kimenetein lévő komplex feszültségamplitúdók eloszlásában foglalt információk feldolgozásán alapul [10] . Ez az elmélet figyelembe veszi a források szögkoordinátáinak meghatározására szolgáló módszereket a köztük lévő szögtávolságtól, a jelek közötti fázis- és energiaviszonyoktól, valamint az elméleti következtetéseket megvalósító eszközök funkcionális diagramjait. A forrásparaméterek meghatározása a többcsatornás analizátor válaszfüggvényét leíró magasrendű transzcendentális egyenletrendszerek közvetlen megoldásával történik. A magasrendű transzcendentális egyenletrendszerek megoldásában felmerülő nehézségeket Varjuhin V. A. az ismeretlenek „leválasztásával” hárította el, amelyben a szögkoordináták meghatározása két vagy akár egy egyenlet megoldására, a komplex amplitúdók meghatározása pedig a megoldásra redukálódik. N rendű lineáris egyenletrendszerek [19] .
V. A. Varjuhin tudományos eredményeinek elismerésében fontos mérföldkő volt a műszaki tudományok doktora fokozat megszerzésére vonatkozó disszertációjának megvédése, amelyre 1967 -ben került sor. Az általa kidolgozott elméleti alapok megkülönböztető jegye az a jelek koordinátáinak és paramétereinek becslésének folyamata, míg külföldön ezúttal egy szeizmikus többcsatornás analizátor válaszfüggvényének kialakításán és felbontásának vizuális benyomások alapján történő felmérésén alapuló megközelítés született . A Capon módszerről és a továbbfejlesztett MUSIC, ESPRIT és más spektrális becslési vetítési módszerekről van szó [20] . Varyukhin tudományos iskolájának fő elméleti eredményeinek eredetisége , amelyeket ő és tanítványai szereztek (elsősorban most Vasziljevszkija gyors Fourier transzformációs művelet alapján képzetteket is . Ez a másodlagos vételi csatornák kimenetein lévő jelek szuper-Rayleigh-felbontásának (szuperfelbontásának) problémájának csökkentését jelenti egy M-fokú algebrai egyenlet megoldására, ahol M a források száma, a jelparaméterek torzítatlan becslésének lehetősége, ismeretlen számú forrás meghatározása, és egyéb fontos szempontok. A meghatározott tudományos csoport számos radar makettjét kidolgozta és átfogóan tesztelte a CAR -val, képviselőinek részvételével sikeres földi teszteket végeztek egy egyedülálló 64 csatornás radar prototípusán [7] [8] . ki .
A Szovjetunió Tudományos Akadémia Tudományos Tanácsa által 1977 -ben tartott tárcaközi tudományos és műszaki értekezlet a "statisztikai radiofizika" problémájáról (elnök - Yu. B. Kobzarev akadémikus ) és a Katonai Tüzérségi Akadémia szárazföldi erőinek légvédelmi osztálya. . M. I. Kalinina ( Kijev ) hivatalos státuszt adott a "digitális antennatömb" kifejezésnek, és kijelentette, hogy V. A. Varyukhin tudományos iskolája prioritást élvez a megfelelő elmélet kidolgozásában és gyakorlati megvalósításában, dátumozva a kutatások kezdetét V. A. , 1962 [21] .
Természetesen hálátlan feladat levonni a következtetést bizonyos tudományos megközelítések prioritásáról és fontosságáról a CAR általános elméletének kialakítása során, tekintettel a legtöbb munka zártságára és a részletes megismerés lehetőségének hiányára. az akkori tudományos örökség. Az itt felvázolt történelmi kitérő csak fellebbenti a fátylat az időről a tudományos kutatás fejlődése felett, és a történelmi háttér előtt a többcsatornás elemzés elméletének megjelenésének közös rését és időkeretét kívánta jelezni. Külön figyelmet érdemel a CAR elmélet fejlődésének történeti szakaszainak részletes bemutatása.
Két adatfeldolgozási csatorna van az CAR PPM-ben [22] [23] :
A vételi csatorna alapja az ADC [22] [23] . Az analóg-digitális átalakító két eszközt helyettesít az aktív modul analóg megvalósításában: egy fázisváltót és egy csillapítót. Az ADC lehetővé teszi a jel analógról digitálisra történő megjelenítését a digitális jelfeldolgozó áramkörben történő további elemzéshez.
Az ADC megfelelő működéséhez további két eszköz van a csatornában.
Az adócsatorna alapja a digitális jelszintézisre használt digitális -analóg konverter [22] [23] . Az átviteli csatornában helyettesíti a fázisváltót és a csillapítót , valamint a generátor egy részét - jelszintetizáló eszközt, modulátort és frekvenciaszintetizátort ( helyi oszcillátor ).
A csatornában lévő DAC után a jel áthalad a teljesítményerősítőn , és az antenna bocsátja ki [22] [23] . Az erősítő adócsatornájára vonatkozó követelmények eltérnek a vevő csatornától. Ez összefügg az erősítő bemeneti teljesítményszintjével [3] . A modul által az űrből vett jel nagyságrendekkel kisebb, mint a szintetizált DAC .
Mivel mindkét csatorna egy adónál működik, szükségessé válik a csatornák szétválasztása, hogy az adó csatornából érkező jel ne hatoljon be a vevőbe. Ebből a célból a PPM-be egy körülbelül 30 dB-es leválasztású keringetőt kell beépíteni, vagy metaanyag betéteket használnak az antennalapban .
Ha olyan jelekkel dolgozik, amelyek digitalizálása vagy digitális-analóg átalakítása a vivőfrekvencián nem hatékony (a rendelkezésre álló ADC / DAC nem megfelelő bitszélessége és csatornázása , nagy fogyasztásuk stb.), egy vagy több közbenső frekvencia átalakítás is végrehajtható. a DAC-ban [22] [23] . Meg kell jegyezni, hogy minden frekvenciaátalakítás további hibákat okoz a jelfeldolgozásban, és csökkenti a CAR potenciális jellemzőit.
Ezt a rendszert úgy tervezték, hogy referenciafrekvenciák rácsát képezze, amely biztosítja a digitális sugárformáló rendszer szoftver- és hardverkomplexumának összes komponensének szinkron működését, órajelet ad ki az ADC és DAC számára , kapuzási tizedesszűrőket, valamint adó trigger impulzusokat generál egy központi számítógépmodulról vezérelhető változó munkaciklus, referenciajelet ad ki az analóg master oszcillátornak és kapcsolóvezérlő jeleket a vevőmodulok jellemzőinek korrekciója érdekében [24] . A szinkronizációs rendszernek biztosítania kell az ADC és a DAC órajeleinek jitterének minimalizálását , ellenkező esetben csökken a jelforrások szögirány-meghatározásának pontossága és az aktív interferencia elnyomásának mélysége [25] [26] [27] .
A vételi csatornák jellemzőit korrigáló digitális rendszert úgy tervezték, hogy digitálisan kompenzálja azokat a technológiai hibákat, amelyek a CAR vevőcsatornáinak jellemzőiben a csatornák közötti és a kvadratúra nem azonossághoz vezetnek.
A digitális antennatömböt tartalmazó többcsatornás rendszerekben az amplitúdó-frekvencia karakterisztika (AFC) csatornaközi azonossága nagyon fontos a csatornák közötti jelfeldolgozás során fellépő multiplikatív interferencia minimalizálása érdekében. Minél magasabb ez a mutató (általában a frekvenciaválasz fő sávszélességének tartományában a csatorna átviteli együtthatóinak csatornák közötti korrelációját igyekeznek elérni 0,999-ig vagy annál magasabb értékig), és annál szélesebb a frekvenciasáv, amelyben megfelel követelményeknek, annál nagyobb a megfelelő rádiótechnikai rendszer zajtűrése.
A megadott azonosság növelésére speciális algoritmusokat kell alkalmazni a vevő csatornák frekvenciaválaszának csatornák közötti korrekciójára [28] .
Az aktív CAR-kban az adócsatornák jellemzői is korrigálhatók. [29] A korrekciós rendszer működése két fő módban történik - a korrekciós együtthatók kiszámítása vezérlőjelekből és a jelfeszültségek digitális leolvasásának korrekciós módja a feldolgozás során a korábban kiszámított súlytényezők szerint. [30] [31] [32]
A digitális sugárformálás magában foglalja a sugárzási mintázat digitális szintézisét vételi módban, valamint az elektromágneses mező adott eloszlásának kialakítását az antennatömb nyílásában - adási módban [33] [34] . A nagyszámú csatornával több digitális jelfeldolgozó modult egyesítő számítógépes hálózat [33] [34] . A gyors Fourier-transzformációs műveleten alapuló digitális sugáralakítás [ . legelterjedtebba[37][36][35]]29
A digitális diagramképzés módszereit adaptív és nem adaptív formákra osztják .
A CAR-nak a modern radar-, kommunikációs és műholdas navigációs eszközök szabványos megoldásává történő átalakulása a PAR -hoz képest számos előnyüknek köszönhető [7] :
Történelmi szempontból a CAR elembázisának fejlődését jelentősen befolyásolta az egycsatornásról a többcsatornás ADC ( DAC ) mikroáramkörökre való átállás, az interfészbuszokra és a beágyazott számítógépes rendszerek moduljaira vonatkozó új szabványok megjelenése, a lemaradás a digitális jelprocesszorok ( DSP ) fejlesztésében az univerzális mikroprocesszoroktól, előrelépés az FPGA típusú terepi programozható logikai integrált áramkörök ( FPGA -k ) fejlesztésében . Ennek megfelelően a megadott elembázis kialakításában a fogadó CAR-ok vonatkozásában négy periódus különíthető el feltételesen [10] .
Az első technológiái az egycsatornás ADC -k használatához és a digitális jelfeldolgozás megvalósításához kapcsolódnak a fogadó csatornákban az [10], regiszterek stb.összeadók 1989-1992-ben (lásd a fotót).
A második periódus az első ISA és PCI szabványú ipari számítógépek és interfész keresztkártyák megjelenésének köszönhető, amikor lehetővé vált, hogy minden vételi csatornához saját DSP modult használjunk , konstruktívan elhatárolva a CAR digitális és analóg szegmenseit. [8] [10] [33] [40] . Az elsődleges digitális jelfeldolgozás szoros szinkronizálásának szükségessége azonban a CAR összes vételi csatornáján arra kényszerített bennünket, hogy a jövőben elhagyjuk a DSP -modulokat , és azokat speciálisan tervezett, FPGA - típusú FPGA -kkal ellátott modulokra cseréljük .
Az elembázis fejlesztésének harmadik időszaka a CompactPCI szabvány használatára való átálláshoz, valamint a 4 és 8 csatornás ADC chipek többcsatornás digitális jelfeldolgozó modulokban való használatához kapcsolódik [8] [10] [33] [ 34] [40] . Fő elve a digitális feldolgozás maximális integrációja volt, egy 6U formátumú kártyára történő telepítéssel, legfeljebb 32 csatornás analóg-digitális jelátalakítással, és a kimeneti minták megfelelő réteges feldolgozásával először több, majd egy FPGA -ban . Ezzel egy időben áttértek az integrált analóg jelfeldolgozó modulokra. Adott esetben többcsatornás analóg erősítő chipeket használtak az ilyen integrációhoz, más esetekben több vevőmodul (legfeljebb 4-8) konstruktív egyesítésével valósult meg egy egységbe, közös huzalozással a tápellátáshoz, vezérléshez. jelek, helyi oszcillátor jelek és egy többcsatornás csatlakozó a digitális blokkal való kommunikációhoz (lásd a fotót).
A jelenlegi, negyedik időszakot az előző generációs megoldások skálázása jellemzi a PCI Express szabványok szerinti számítógépes modulok és interfészek használatára . Ebben az esetben a CompactPCI Serial , CompactPCI szabványokstb.OpenVPX,PlusIO [41] . Arról is beszélünk, hogy az LTCC technológián és annak analógján alapuló többcsatornás jelvevők blokkjaiba ágyazzuk be az ADC és FPGA chipeket. Az OpenVPX szabványra való áttérés a vele kapcsolatos összes probléma ellenére lehetővé teszi az adatátviteli sebesség jelentős növelését, csökkentve a feldolgozási időt.
Oroszországban számos integrált áramkört gyártanak a CAR építéséhez. Az 1508PL8T digitális szintetizátor mikroáramkör az átviteli útvonalon való használatra készült . Ez a chip megvalósítja a komplex (beleértve a csipogást és más típusú modulációt is) szélessávú (800 MHz-ig) vizsgálójelek szintetizálásának funkcióit, bevezetve az amplitúdó-fázisú előtorzítást és a digitális-analóg átalakítást. Vannak szinkronizálási eszközök is, amelyek biztosítják a működést a CAR részeként.
A vételi úton lehetőség van egy 1288XK1T digitális négycsatornás vevő használatára, amely kiválasztja és digitálisan elődolgozza az ADC -től kapott jeleket [42] . Nagyon hatékony megoldás a PKK Milandr JSC 16 csatornás analóg-digitális jelátalakítás blokkja, amely tizenhat 14 bites K5101NV01 ADC - t, K1967VN04 digitális jelfeldolgozót és FPGA -t tartalmaz az ADC minták előzetes digitális feldolgozásához , beleértve azok tizedelését és tizedelését. szűrés . [43] .
A CAR -ban a digitális jelfeldolgozás hardveres megvalósításának lehetséges lehetőségeinek részletes leírása .találhatókiadványaibanV.I.Slyusara
Ennek a szakasznak a sajátossága az is, hogy a Közép-afrikai Köztársaságban áttérnek a radiofotonikus technológiák széles körű használatára.
Kezdetben a rádiófotonikai technológiák használatának ötlete a CAR-ban az ADC óraimpulzusok száloptikai huzalozására redukálódott a teljes vételi csatornán. Ebben az esetben az ADC indításához az optikai impulzusokat fotodetektorok segítségével óra videojelekké kellett alakítani. [25] . Ez a megközelítés lehetővé teszi például az ADC órajelek forgó érintkezőkön keresztüli átvitelének egyszerűsítését a hordozóplatform rögzített berendezéseiből egy forgó digitális antennatömbbe.
Jelenleg a rádiófotonika fejlődése lehetővé teszi a száloptikai interfész használatát a CAR antennaelemei által vett rádiójelek továbbítására is [46] [47] . Először is, az analóg vevő kimenetén a szélessávú rádiójel modulálja az optikai vivőt, majd az ADC -hez való betáplálás előtt az inverz átalakítás megtörténik, és a rádiójelet visszaállítják a későbbi digitalizáláshoz. Hasonló műveletek rádiójelek optikai kialakításával a CAR-ok továbbításában is alkalmazhatók [47] .
A radiofotonikus CAR-k a radiofotonikus radarok alapját képezik . Ezenkívül a rádiófotonikai technológiák a következő generációs 5G és 6G cellás kommunikációs bázisállomások CAR-inak házon belüli interfészeiben is megvalósíthatók . A felső féltekén lévő előfizetőkkel való együttműködéshez (kommunikáció sok pilóta nélküli légi járművel , adatátvitel a pilóta repülőgép fedélzetén, kommunikáció alacsony pályán lévő műholdakkal) a Massive MIMO rendszerek antennaelemeinek száma több száz lesz. Az ilyen többcsatornás DAC-ok hardveres megvalósításának egyszerűsítése és költségeinek csökkentése érdekében a bennük lévő többmódusú optikai interfészek egyfajta rádiófotonikaként való alkalmazása az egyetlen ésszerű választás nemcsak a jelek vételére, hanem az adatátvitelre is.
Ez a típusú CAR a tükörreflektor és a fókuszsíkjában elhelyezkedő CAR kombinációja . Ez a kialakítás lehetővé teszi többutas sugárzási mintázat készítését egy szűk térbeli szektorban. [48] .
Zsiráf AMB [8] – radar a 2007-es Le Bourget Airshow-n
Voronyezs-M ( Lekhtusi ) radarállomás . Fejlesztői konszern "RTI Systems"
Radar AN / TPY-2 komplex THAAD
CAPTOR-E, DSEI -2019
AMDR AN / SPY-6 radar (megvalósított digitális sugárformáló technológia [49] )
A CAR-t a MIMO technológiát [3] (Massive MIMO) megvalósító cellás kommunikációs rendszerekben használják .
A CAR technológiát hidroakusztikus rendszerekben ( szonárokban ) és ultrahang-diagnosztikai eszközökben használják [50] [51] .
ALOKA SSD-3500SV (256 csatorna)