Die neuesten gephasten Reihenradar- und Kommunikationssysteme, die für Actively Electronically Scanned Array (AESA), 5G und taktische Kommunikation entwickelt werden, folgen den Trends des Hochfrequenzbetriebs und der physikalischen Verdichtung. Mit einer größeren Anzahl von Antennenelementen, Sende-/Empfangsmodulen, Antennenprozessoren und anderen analogen/hybriden/digitalen strahlformenden Modulen in einem einphasigen Array-Antennensystem ergeben sich zusätzliche Erwägungen zum HF-Verbindungsdesign. Diese neuen Designs umfassen die Montage einer größeren Anzahl von HF-Steckverbindern und Kabelbaugruppen, die auch mehr integrierte Leiterplatten verwenden, die analoge, digitale und HF-Schaltungen unterstützen. Die Reduzierung von Größe, Gewicht, Kosten und Installationskomplexität von HF-Verbindungen muss ebenfalls berücksichtigt werden.

Dieser Artikel zielt darauf ab, mit Phased-Array-Antennensystemen für Radaranlagen arbeitende Ingenieure und Branchenexperten bezüglich neuer Designüberlegungen und -lösungen zu schulen, die dazu beitragen, die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Bau der nächsten Generation von Phased-Array-Radaranlagen zu mindern.

Phased-Array-Radar-Trends

Phased-Array-Antennen und zugehörige Radar- und Kommunikationssysteme profitieren von der Physik der Elektromagnetik, da die Größe optimierter HF-Strukturen umgekehrt proportional zu der Frequenz ist, mit der diese arbeiten. Das bedeutet, dass Antennen für höhere Frequenzen kleiner und ansonsten kompakter sind als Antennen für Anwendungen mit niedrigeren Frequenzen. Im Fall von Antennen mit mehreren Elementen, wie z. B. Phased-Array-Antennen, bedeutet dies, dass die Erhöhung der Betriebsfrequenz einen dramatischen Einfluss auf Größe, Gewicht, Kosten und sogar die Leistung dieser Systeme hat.

HF-Verluste und Dämpfung

Es besteht jedoch ein Vorbehalt, da eine Vielzahl von Verlusten, wie z. B. HF-Verlust und atmosphärische Dämpfung, bei höheren Frequenzen ebenfalls größer sind. Diese zusätzlichen Verluste können durch das Hinzufügen zusätzlicher Antennenelemente in Phased-Array-Radaranlagen kompensiert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Integration einer aktiven Phasen- und Amplitudensteuerung einem Bediener oder Algorithmus, das Antennenmuster einer Phased-Array-Antenne präzise zu steuern. Im Fall von AESA-Radaren, Störsendern und einer taktischen Kommunikation ist diese Fähigkeit entscheidend, um Schäden an empfindlichen Empfängern zu vermeiden oder um Abstrahlungsmuster effektiver zu steuern, um feindliches Radar oder um eine freundliche Kommunikation anzuvisieren. Diese Fähigkeit hat zu einer Vielzahl aktiv gesteuerter Antennentechniken geführt, die eine geringe Abhörwahrscheinlichkeit respektive eine geringe Erkennungswahrscheinlichkeit ermöglichen (LPI/LPD).


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Phased-Array-Antennen für Millimeterwellen

Darüber hinaus wird bei höheren Frequenzen die Keulenbreite einer Antenne schmaler, wodurch die Richtwirkung gegenüber einer vergleichbaren Mehrelementantenne mit niedrigerer Frequenz verbessert wird. Diese Faktoren haben das Interesse an der Verwendung von Phased-Array-Antennen im Millimeterwellenbereich (mmWave) für Radargeräte, Störsender, die taktische Kommunikation und die kommende mmWave-5G-Kommunikation geweckt. Obwohl die Kompaktheit von mmWave-Antennen aus Sicht der Größe, des Gewichts, der Leistung und der Kosten (SWAP-C) attraktiv wird, bedeutet die Verringerung der Gesamtantennengröße neben der dramatischen Zunahme der Antennenelemente, dass in diesen reduzierten Modulen ebenfalls entsprechende HF-Verbindungen enthalten sein müssen. HF-Verbindungen mit hoher Dichte, die immer noch die strengen MIL-SPEC-Robustheitsanforderungen erfüllen, sind erforderlich, um die Verbindung zwischen der wachsenden Vielfalt von Sende-/Empfangsmodulen (TR), Antennenverarbeitungseinheiten (APUs), Hybrid-Beamforming-Schaltkreisen bzw. analoge Beamforming-Komponenten bereitzustellen.

Hochqualitative HF-Verbindungen, die die SWAP-C-Anforderungen dieser neuen Phased-Array-Antennensysteme erfüllen, sind während der Prototyping-, Test- und Produktionsphasen unerlässlich. Darüber hinaus sind sie auch Schlüsselkomponenten der eingesetzten Phased-Array-Systeme. Da sich die beabsichtigten Anwendungsfälle von mmWave-5G auf Industrie-, Automobil- und Infrastrukturanwendungen erstrecken, ist es wahrscheinlich, dass viele der gleichen, vom Militär-/Luftfahrtmarkt verwendeten Robustheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen auch auf mmWave-5G ausgedehnt werden.

Phased-Array-Radar-Signalkette

Eine einfache Phased-Array-Antenne besteht aus HF-Verbindung, Dämpfungsgliedern/Verstärkern, Phasenschiebern und Antennenelementen. In diesem grundlegenden Fall wird eine HF-Verbindung benötigt, um Sender, Empfänger, Zirkulator/Isolator/Schalter, Dämpfungsglieder/Verstärker, Phasenschieber und Antennenelemente zu verbinden. Eine andere (immer üblicher werdende) Topologie umfasst die Verwendung von TR-Modulen, bei denen der Leistungsverstärker (PA) des Senders und der rauscharme Verstärker (LNA) des Empfängers in einem Modul angeordnet sind, das dann über denselben HF-Pfad mit Schaltern/Zirkulatoren vom Phasenschieber zum Antennenelement verbunden ist. TR-Module werden verwendet, um die Vorteile der Integration und Modularität zu ermöglichen und die Gesamtgröße der Antenne weiter zu reduzieren. Dieser Ansatz erfordert in der Regel HF-Verbindungen mit kleinerem Raster und höherer Dichte als einfache Phased-Array-Antennen, da die Verwendung größerer HF-Verbindungen viele der Größen- und Gewichtsvorteile der reduzierten mmWave-Elementgröße zunichte macht.

Die nächste Stufe dieser Integration ist die Verwendung von hybriden oder digitalen strahlformenden Phased-Array-Antennentopologien, die viel kompaktere Komponenten ermöglichen, wie z. B. System-on-Chip (SoC), System-in-Package (SiP) und integrierte HF-Front-End-Module, APU-ASICs und andere Arten von kompakten Baugruppen, Modulen oder ICs. Hybride und digitale strahlformende Elemente ermöglichen viel kompaktere Phased-Array-Antennen und können digitale Hochgeschwindigkeitskommunikation anstelle von HF-Kommunikation zwischen der Modulationsschaltung und der HF-Schaltung verwenden. In diesen Fällen sind HF-Verbindungen mit noch engerem Raster und höherer Dichte erforderlich, um Verbindungen zwischen den Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsbussen der Modems und der Strahlformungselektronik herzustellen.

Obwohl Störsender und einige Niederfrequenzradare aufgrund der Leistungsanforderungen solcher Systeme größere HF-Komponenten und Verbindungen erfordern werden, werden sowohl die taktische Kommunikation als auch die mmWave-5G-Kommunikation wahrscheinlich weiterhin ein höheres Maß an Integration und Verdichtung erreichen. Die Notwendigkeit hierfür ergibt sich aus der Verringerung der SWAP-C-Parameter und der Bereitstellung einer großen Anzahl von mmWave-Basisstationen, die andernfalls eingeschränkt wären, wenn die SWAP-C-Parameter der Kommunikationssysteme mit denen von Radar- und Störsendersystemen vergleichbar wären.

Die Verdichtung von mmWave-Phased-Array-Antennensystemen berücksichtigt auch die Empfindlichkeit eines solchen Systems gegenüber externen und internen Interferenzen, insbesondere wenn man die in Kommunikationssystemen unvermeidlichen Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen und eine Vielzahl von mmWave-HF-Verbindungen mit geringer Leistung berücksichtigt. Koaxial-Kabelkonfektionen und -verbindungen eignen sich hervorragend zur Bereitstellung abgeschirmter Kommunikation mit minimaler Einfügungsdämpfung und Dämpfung. Dieses Konzept gilt auch für ein hochentwickeltes Radar, das viele der gleichen Modulationstechnologien (Spreizspektrum) wie die moderne Kommunikation verwendet. Daher besteht ein wachsender Bedarf an einer breiten Palette von HF-Verbindungstechnologien mit hoher Dichte, von robusten SMA-Kabelbaugruppen bis hin zu kompakten Ultra-Miniatur-Steckermodulen mit Reihenschaltung.

Figure 1.Discrete phased array (left) and hybrid beam forming (right) block diagrams.

Discrete phased array (left) and hybrid beam forming (right) block diagrams.

Überlegungen zum HF-Verbindungsdesign für Phased-Array-Antennen

Obwohl Radaranlagen, Störsender, die taktische Kommunikation und mmWave-5G-Kommunikation sehr unterschiedliche Endziele und Einsatzszenarien haben, sind viele der Überlegungen zur HF-Verbindung gleich. In den folgenden Abschnitten werden die wichtigsten Designüberlegungen für phasengesteuerte mmWellen-Antennensysteme erörtert und anwendungsspezifische Details und Beispiele aufgeführt.

Phasenstabilität und phasenangepasste Koaxialkabelsätze

Die Vorteile einer Phased-Array-Antenne ergeben sich aus der Fähigkeit, die Phase des HF-Signals am Ausgang der Antenne präzise zu steuern. Dies ist nur möglich, wenn die Phase des Signals über die gesamte Signalkette des Phased-Array-Antennensystems hinweg stabil und vorhersagbar ist. In diesem Bereich bestehen zwei Hauptüberlegungen zu HF-Verbindungen. Eine bezieht sich auf die Phasenstabilität von Signalen, die ein Koaxialkabel durchlaufen, basierend auf Umweltfaktoren wie Schock, Vibration, Biegung, Verformung, Temperatur usw. Die Verwendung von „phasenstabilen“ Koaxialkabeln trägt dazu bei, dass Umwelteinflüsse minimiert werden.

Eine andere Überlegung betrifft die Phasenanpassung zwischen den verwendeten Koaxialkabeln. Bei der Herstellung von Koaxialkabeln kann es zu systematischen Phasenfehlern kommen, die dazu führen, dass selbst Koaxialkabel gleicher Länge Abweichungen im Phasengang aufweisen. Daher kann die Verwendung von phasenangepassten Koaxialkabeln (d. h. Kabeln, die so beschaffen sind, dass sie einen extrem ähnlichen Phasengang besitzen) dazu beitragen, die Probleme der Phasenabweichungen von HF-Verbindungen zu beseitigen und die Vorhersagbarkeit und Leistung von Phased-Array-Antennensystemen zu verbessern.

Mechanisch robuste Verbindungen

Militär-/Luftfahrthersteller müssen MIL-SPEC-Koaxialkabel, Steckverbinder und Baugruppen verwenden, die einen Mindeststandard an Robustheit und Zuverlässigkeit erfüllen müssen. Diese Standards umfassen die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schäden durch Stöße, Vibrationen, Wärmezyklen und Umwelteinflüsse. Insbesondere bei hochempfindlichen Phased-Array-Antennensystemen, die im mmWave-Frequenzbereich arbeiten, ist die mechanische Zuverlässigkeit für alle missionskritischen HF-Kommunikationen, Radar und Störsender unerlässlich. Selbst geringe mechanische Kräfte, die auf ein phasengesteuertes Antennensystem einwirken, können die Gesamtleistung des Systems verringern, schwer zu identifizierende vorübergehende Ausfälle verursachen oder das System anderweitig unbrauchbar machen.

Viele dieser hochzuverlässigen (Hi-Rel) Normen überschneiden sich auch mit Automobil- und Luftfahrtnormen, was sich wahrscheinlich auch auf die kommenden mmWave-5G-Kommunikationsüberlegungen auswirken wird. Daher kann es für kritische Anwendungen wie die Industrieautomation, Automobil und Luftfahrt auch erforderlich sein, dass kommende 5G-Systeme Hi-Rel-Koaxialverbindungen oder anderweitig zuverlässigkeitsqualifizierte Koaxialverbindungen verwenden.

Image 1.Cinch JohnsonTM test cable assemblies.

Cinch JohnsonTM test cable assemblies.

mmWave-Phased-Array-Steckverbinder und -Kabel

Bei der taktischen Kommunikation und der mmWave-5G-Kommunikation werden derzeit Frequenzen weit über 18 GHz untersucht. Bei diesen Frequenzen sind herkömmliche HF-Koaxialverbindungen (wie N-Typ, SMA, SMB usw.) aufgrund der Art und Weise, wie sich elektromagnetische Wellen in Koaxialstrukturen fortpflanzen, nicht mehr geeignet. Daher sind für diese neuen spezifischen Frequenzen physikalisch kleinere Steckverbinder erforderlich, wie z 2,92 mm, 2,4 mm, 1,85 mm, Hochfrequenz-SMA, SMP und SMPM, wie beispielsweise von Cinch's Johnson™. Das gleiche Konzept gilt auch für Koaxialkabel, da die Größe der koaxialen Übertragungsleitung auch die obere Frequenz bestimmt, bei der ein transversaler elektromagnetischer (TEM) Modus aufrechterhalten werden kann. Umgekehrt beeinflusst die Größe eines Koaxialsteckers und -kabels auch den Pfadverlust, die Belastbarkeit und die mechanische Festigkeit einer Koaxialkabelkonfektion. Mit fortschrittlichen Materialien und Herstellungsverfahren können einige der negativen Leistungseffekte kleinerer koaxialer Übertragungsleitungen, die im mmWave-Frequenzbereich betrieben werden, abgeschwächt werden.

Figure 2.High-frequency Cinch Johnson™ connectors.

mmWave-Phased-Array-Steckverbinder und -Kabel

Image 2.Cinch Johnson™ sample board.

Cinch JohnsonTM sample board.

Johnson™-Steckverbinderangebot für alle Frequenzen


Steckverbindertyp Frequenzbereich Kupplung Familie
1,85 mm* DC bis 65 GHz mit Gewinde Subminiatur
SMPM/GPPO* DC bis 65 GHz Aufsteckbar - blindsteckbar Mikrominiatur
2,4 mm DC bis 50 GHz mit Gewinde Subminiatur
2,92 mm / SMK* DC bis 40 GHz mit Gewinde Subminiatur
SMA/GPO* DC bis 40 GHz Aufsteckbar - blindsteckbar Mikrominiatur
SMA (Subminiatur Version A) DC bis 18/26,5 GHz mit Gewinde Subminiatur
KqiQMAte/QMA DC bis 12,4 GHz Aufsteckbar Subminiatur
Typ N DC bis 11 GHz mit Gewinde Standard
SMC DC bis 10 GHz mit Gewinde Subminiatur
MCX DC bis 6 GHz Aufsteckbar Subminiatur
MMCX DC bis 6 GHz Aufsteckbar Mikrominiatur
UMX/u.FL DC bis 6 GHz Aufsteckbar - Einfügewerkzeug Ultraminiatur
SMB DC bis 4 GHz Aufsteckbar Subminiatur
SMB - Mini - 75 Ohm DC bis 2 GHz Aufsteckbar Subminiatur

Flachprofil- und Tight-Pitch-Verbindung

Die kleineren physikalischen Abmessungen von mmWave-Koaxialsteckverbindern ermöglichen einen Betrieb mit höheren Frequenzen und Verbindungen mit viel höherer Dichte. Während größere Koaxialsteckverbinder für einen guten mechanischen/elektrischen Kontakt Gewindekörper benötigen, können kleinere Steckverbinder von aufschiebbaren/einrastbaren Schnittstellen profitieren. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit, zusätzliche Abstände für Werkzeuge zum Anziehen von Muttern, wie z. B. Drehmomentschlüssel, einzuhalten, und ermöglicht eine wesentlich schnellere Montage/Demontage und Fehlersuche. Blindsteckverbinder können auch dazu beitragen, axiale und radiale Fehlausrichtungsprobleme zu reduzieren, die bei kompakten und dichten Verbindungsszenarien üblich sind. Darüber hinaus können diese Arten von Steckverbindern auch in eine Konfiguration mit mehreren Steckverbindern integriert werden, was die gleichzeitige Verbindung von mehreren Steckverbindern mit Blindkupplung ermöglicht, wie z.B. SMP, Ganged 4-Port SMP und SMPM-Lösungen von Cinch's Johnson™. Diese aneinandergereihten Steckverbinder können den Gesamtabstand mehrerer ähnlicher Steckverbinder erheblich reduzieren, die Montage vereinfachen, die Komplexität der Stückliste verringern und sogar für Platine-zu-Platine-Verbindungen verwendet werden.

Figure 3.Cinch JohnsonTM mmWave connectors.

Cinch JohnsonTM mmWave connectors.

Platine-zu-Platine- und Komponente-zu-Platine-Verbindung mit hoher Dichte

Viele Prototypen und zukünftige Phased-Array-Antennensysteme nutzen höhere Integrationsgrade, was die Verwendung von Platinen und oberflächenmontierten Komponenten zur Folge hat. Die Verwendung von Platinen anstelle von Steckverbindern schränkt den Platz für Steckverbinder auf einem Phased-Array-Antennenmodul ein, so dass Koaxialsteckverbinder mit kleineren Abständen, oberflächenmontierbare Steckverbinder, Steckverbinder in Reihenanordnung und sogar hochdichte Mezzanine- und Stapelsteckverbinder erforderlich sind. Bei Platine-zu-Platine- und Bauteil-zu-Platine-Verbindungen ermöglicht ein endseitig angebrachter oder oberflächenmontierter HF-Steckverbinder einen geringeren Abstand zwischen Platinen und Bauteilen und reduziert die mit unnötigen Verbindungslängen verbundenen HF-Pfadverluste.

Während es in vielen Fällen akzeptabel ist, HF-Steckverbinder am Ende oder auf der Oberfläche zu löten, gibt es einige Situationen, in denen sich dies als logistisch schwierig (oder unmöglich) erweist. Bei extrem dichten Verbindungen (wie bei digitalen Hochgeschwindigkeits- und komplexen hybriden/digitalen strahlformenden Antennensystemen üblich) kann die Berücksichtigung von Hunderten (oder sogar Tausenden) von Lötpunkten zu Problemen bei der Herstellung und Qualität führen. Die herkömmliche HF-Platinenmontage und Komponentenverbindung erfordert Löten oder Schweißbonden.

Glücklicherweise gibt es lötfreie oberflächenmontierbare Steckverbinder, die Druckkraft nutzen, um eine zuverlässige und starke mechanische und elektrische Verbindung für Platine-zu-Platine- und Komponenten-zu-Platinen-Verbindungen herzustellen. Zum Beispiel können CIN::APSE®-Stapelsteckverbinder von Cinch für starr-flexible oder starr-starre Mezzanine-Stack-Platinenkonfigurationen mit mehreren bis zehn Kontakten verwendet werden. Diese Art der Verbindung kann anstelle einer Vielzahl einzelner Steckverbinder verwendet werden und kann den HF-Pfad, Interferenzen, Verbindungsfehlermodi und Installationsfehlermodi reduzieren, während die Gesamtzuverlässigkeit verbessert und Testvorrichtungen vereinfacht werden.

Image 3.CIN::APSE® compression interconnects

CIN::APSE® compression interconnects

Versorgungsherausforderungen

In vielen Fällen kann die Beschaffung von HF-Verbindungen für ein Phased-Array-Antennensystem Hunderte von Anbietern und unüberschaubare Durchlaufzeiten mit sich bringen. Bei militärischen Anwendungen sowie in der Automobil- und Industriebranche erfordert die Beschaffung von HF-Verbindungen sorgfältige Überlegungen. In vielen Fällen liefert ein Anbieter möglicherweise nur wenige Komponenten, aber die Beschaffung bei diesem Anbieter erfordert genauso viel Arbeit wie bei einem Anbieter, der eine größere Vielfalt von Teilen für das Projekt liefert. Darüber hinaus erfordern militärische und luft- und raumfahrttechnische Anwendungen als Teil von MIL-SPEC einen spezifischen Ansatz für die Material- und Teilebeschaffung, der Qualitätskontrollfunktionen sowie Material- und Teilebeschaffungsfunktionen durchsetzt. Daher kann es für einen Hersteller von Vorteil sein, mit einem Zulieferer zusammenzuarbeiten, der mit der Beschaffung für Kunden aus der Militär- und Luft- und Raumfahrtindustrie vertraut ist und über gut etablierte, MIL-SPEC-qualifizierte Fertigungseinrichtungen sowie für die kommenden 5G mmWave-Automobil- und Industriesysteme, die ähnliche Qualifizierungsprozesse erfordern, verfügt.

Nächste Generation von gephasten Reihenradar- und Kommunikationssystemen

Kommende Millimeterwellen-AESA-Radar-, Störsender, taktische Kommunikationssysteme und sogar mmWave-5G-Systeme werden wahrscheinlich auf hochleistungsfähige Phased-Array-Antennensysteme angewiesen sein. Diese Art von Antenne erhöht die Komplexität von bereits hochentwickelten HF- und Digitalsystemen um viele Ebenen, einschließlich einer großen Anzahl von Signalpfaden und Komponenten in der HF-Verbindung. Diese neuen Anwendungen erfordern einen viel kleineren Abstand und verschiedene passende HF-Verbindungen über herkömmliche Koaxialsteckverbinder mit Gewinde hinaus. Da die Kommunikation in den Bereichen Militär, Luft- und Raumfahrt, Automobil, Industrie und Verbraucher immer weiter voranschreitet und immer häufiger wird, steigt auch der Bedarf an innovativen HF-Verbindungselementen, insbesondere wenn sich die Integrationstrends beschleunigen und die Grenzen zwischen digitalen, analogen und HF-Geräten verschwimmen.


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