תכנון הדור הבא של מכ”ם AESA

המגמות האחרונות בתחום מערכי מופע (phased-array) ומערכי סריקה אלקטרוניות אקטיביות – active electronically-scanned arrays – – פונות אל יישומים עבור לווינים ולרכבים לא מאויישים (UAVs). דרישות המימדים והביצועים של מכ”ם אלה דורשות שמוש במערכות תכן אלקטרוני (EDA) בעלות טכנולוגיות מתקדמות התומכות בארכיטקטורת מערכות, באפיוני רכיבים, בתכנון פיסיקלי של רכיבים, ובאישוש לפני המעבר לבניית אב-טיפוס.
מאמר זה יעסוק במגמות הטכנולוגיות ויציג דוגמאות רבות שבהן כלי תכן מתקדמים תומכים בפיתוח AESA ומכ”ם מערך-מופע.

טכנולוגיית מערך מופע
מכ”ם המבוסס על AESA, מכ”ם הקרוי גם APAR – , מושתת על מערך של אלמנטים קורנים (אנטנות), שכל אחד מהם מוזן על ידי מודול שידור קליטה בטכנולוגיית מצב מוצק. המכ”ם כולל מקלט דל רעש, PA, ומכלולים המבוקרים באופן סיפרתי לצורך שליטה במופע, בהשהייה ובשבח של כל אלמנט קורן. בקרת המופע והמשרעת של האות המוזן לכל אלמנט מאפשרת שליטה בכיוון – אזימוט והגבהה – של האלומה הראשית המשודרת והכוונתה לכיון הרצוי.
תכנון תרשימי מארזים מורכבים עבור מערכות העובדות עם אותות בתדרים גבוהים חייב להיות מלווה בסימולציות של המעגלים ואנליזה אלקטרומגנטית המותאמת במיוחד למעגלים אלקטרונים הפועלים ב-RF ובמיקרוגל (1).

התפתחויות בטכנולוגיית האינטרגציה
למערכות המבוססת על מערכי מופע יש יתרונות רבים, אך הן מורכבות במידה רבה מאוד ועלויות הייצור שלהן – במיוחד עלויות הפיתוח החד פעמיות – גבוהות באופן משמעותי מאלו של מערכות בעלות אנטנות קונוונציונליות. עלויות גבוהות אלו נובעות מהצורך לשלב מאות או אלפי מודולים אלקטרוניים אקטיביים בכל יחידה מיוצרת. לעתים יש צורך לייצר עבור מודולים אלה רכיבי GaAs MMIC יעודיים, ובדרך כלל יש צורך לתכנן 5 עד 10 רכיבים יעודיים שכאלה, כפי שמוצג באיור 1.

כלי תכן
ככל שהתעשיה מתקדמת לקראת ליבות רכיבים עתירי ביצועים באינטרגרציה גבוהה, עולה חשיבות הדרישה שלרשות מתכנני RFIC יעמדו מערכות המסוגלות לבחון באופן מלא שקלול תמורות בארכיטקטורה ובטכנולוגיות קיימות. סימולציות מערכות המקשרת בין סימולצית המעגל לבין אנליזת עיבוד אותות רדיו ומודלים התנהגותיים מאפשר למתכנן המערכת לבחור את התהליכים האופטימליים לייצור הרכיבים המונוליטיים עבור היישום המיועד ולהגדיר באופן ראשוני את הארכיטקטורה ואת אפיוני הרכיבים.
כשלי תכן ועלויות פיתוח גבוהות נובעים לעיתים מחוסר יכולת של כלי תכן ליצור מודל מדוייק של התנהגויות הגומלין בין ערוצים רבים המחוברים בינהם ביחד, בעוד שכל ערוץ תוכנן בנפרד . כיון שביצועי מערך מופע אינו מוגדר באופן מוחלט על ידי האנטנה בלבד, או על ידי מערכי אלקטרוניקת מיקרוגל בנפרד, הכלי שמבצע את הסימולציה צריך להיות מסוגל לכלול את ההתנהגות המשולבת שלהם על מנת לנבא את ההתנהגות הכוללת של המערכת.
כלי התכן ™Visual System Simulator הוא כלי לסימולציה ברמת המערכת המשולב בפלטפורמת סביבת הפיתוח של נשיונל אינסטרומנטס – NI AWR. כלי זה בעל יכולת לביצוע אנליזה של מערך מלא של אנטנות אקטיביות (איור 2). הסימולטור מספק מידע על ביצוע המערכת השלמה, כפונקציה של כיוון האלומה המוזזת, תכן האנטנה והאלמנטים האקטיביים והפסיביים הכלולים במעגלי הזזת האלומה.
אנליזת מערכת מאפשרת:
הערכת ביצועי המערך בכל התחום או בכל רמות ההספק ו/או התדרים.
ביצוע מדידות ניתוח עלויות כגון שבח משורשר, NF, הספק מוצא (P1 dB), טמפרטורת שבח לרעש (G/T) ועוד.
הערכת רגישות לפגמים וליקויי חומרה באמצעות אנליזת תפוקה.
ביצוע סימולציה מקצה לקצה תוך שימוש במודל שלם של מערך המופע.
ל-VSS יכולות סימולציה המאפשרות בניית מודל של מערך מופע בעל אלפי אלמנטים. הוא מאפשר בניית תצורת מערכי מופע בתקנים שונים, ובגיאומטריות יעודיות. לפני כן מערך-מופע מומש תוך שימוש בבלוקים אינדיבידואליים בסיסים והם היו מוגבלים לכמה מאות אלמנטים, שכ”א יוצג כבלוק בעל כניסת אות יחידה ויציאת אות יחידה. בעזרת ה-VSS ניתן להגדיר בקלות את התנהגות מערך-המופע באמצעות הגדרת המקדמים, או באמצעות קובץ נתונים המכיל מספר פרמטרים, כגון שבח, היסט מופע, זויות החזרה (Theta – Phi), מיקום X/Y (ביחידות מרחק או מבוססות למבדא), ותדר האות. בגרסא האחרונה של VSS, (גרסא 13), נעשו שיפורים נוספים במודל מערך-המופע, כולל מידול של חוליית ה-RF לכל אלמנט של המערך, שיפור המידול של עקום הקרינה של אלמנט אינדיבידואלי, והצימוד ההדדי בין האלמנטים, ועוד הגדרות יעילות של ארכיטקטורת מערך – מופע. הבלוקים VSS ANTENNA ו-PHARRAY_A תומכים עכשיו בהגדרת כיוון האות על ידי שמוש במתאם U/V בנוסף על זויות Theta – Phi. לעתים קרובות נעשה שימוש בבקרת עירור ההגברה באמצעות הצרת שבח (gain tapering) לצורך עיצוב האלומה והקטנת אונות צד. gain tapers נפוצים משולבים בבלוק מערך המופע. מקדמי הצרת שבח מטפלים בהגדרות בין אם המגבר מנורמל או לא. הנרמול – אם הוא מבוצע – הוא ליחידת שבח. gain tapers תקניים משולבים במודל מערך-המופע כוללים Dolph-Chebyshev, Taylor Hansen ו-uniform. בנוסף, המשתמש יכול להגדיר gain tapers על ידי קביעת השבח (dB) והמופע עבור כל אלמנט במערך. (איור 3)
בנוסף על תרשימי הפצת אות שונים ותמיכה בפעולה מותנית תדר, המודל מאפשר למשתמש גם לסמלץ ליקויים הנובעים מפגמים בייצור או כשלים באלמנטים. כל חישובי השבח והמופע מבוצעים באופן פנימי וניתן להזין את האנליזה המתקבלת לבלוק על מנת להעריך את הרגישות לשינויים בכל אחד מהפרמטרים המוגדרים של מערך-המופע. תיבת השיחה המיועדת לקביעת המקדמים מאפשרת למשתמש להגדיר במהירות את ארכיטקטורת המערך תוך שימוש בגיאומטריות סטנדרטיות או ייעודיות. אופציית ה-Lattice מאפשרת קביעת תצורת מערך-מופע בדגם מסבך, המוגדר על ידי שמוש במספר האלמנטים לאורך צירי X ו-Y, NX ו-NY, המרווח בין האלמנטים לאורך כל ציר, dx ו-dy, גמא, והזוית בין הצירים. קביעת גמא ל-90 מעלות מניבה מסבך ריבועי, בעוד שקביעה של 60 מעלות יוצרת Lattice משולש.
ניתן להשתמש בכל ערך חיובי של גמא על מנת להגדיר את ה-Lattice בעוד שהאופציה המעגלית מאפשרת שמוש בתצורת מערך -מופע עגול, חד מעגלי או בעל כמה מעגלים קונצנטריים. את מספר האלמנטים בכל אחד מהמעגלים הקונצרנטריים והרדיוס של כל מעגל אפשר להגדיר כווקטורים בעלי משתנים NC ו-R. דוגמא למסבך ולמערך מעגלי מודגמות באיור 4.
לחלופין, אופציית ההגדרה מאפשרת למשתמש להגדיר את הארכיטוקטורה על פי רצונו, על ידי קביעת מספר האלמנטים N ומיקומם X/Y. המתכנן יכול להגדיר את השבח או את עקומי הקרינה עבור כל אלמנט במערך-המופע. כך ניתן לקבוע עקום קרינה שונה עבור האלמנטים הנמצאים בקצה, בפינות ובמרכז המערך. עקום הקרינה של כל אלמנט מושפע לעתים קרובות על ידי מיקומו במערך. ניתן למדוד את עקומי הקרינה במעבדה או לחשב אותם באמצעות סימולטור אלקטרומגנטי (EM) כגון AXIEM עבור עקום משטחי ו-™Analyst עבור אנליזת FEM תלת מימדית. כלים אלה כלולים בתוכנת NI AWR. דרך פשוטה היא להשתמש במערך 3X3 ולעורר אלמנט יחיד, אם במרכז המערך, או באחת הפינות, או באחד הקצוות. כך ניתן יהיה לקבל עקומי קרינה של האלמנטים הפנימיים, האלמנטים בקצוות ובפינות. הם יאוכסנו באופן אוטומטי בקבצי המידע תוך שמוש בקבצי מדידות המוצא של תוכנת NI AWR. גישה זו יכולה להכיל את ההשפעות של הצימוד ההדדי בין שכנים מדרגה ראשונה. ניתן להשתמש במערך אלמנטים בתצורת 5X5 על מנת להרחיב את השפעות הצימוד ההדדי לשכנים מדרגה שניה ושלישית.
תכונה חדשה נוספת של ה-VSS היא היכולת למדל את חוליות קישור RF של אלמנט יחיד במערך המופע. זוהי תכונה חשובה כיון שחוליות קישור RF אינן אידיאלית, ולפיכך יכולות להיות סטיות בהתנהגות החוליה בהשוואה להתנהגות חוליה אידיאלית. לדוגמא, gain tapers נמצאים בשמוש נפוץ במערכי מופע. אולם יש לדעת שגם כאשר משתמשים בחוליות קישור RF זהות עבור כל אלמנטי האנטנה, הדבר יכול לגרום שאלמנטים מסויימים (אלו עם השבח הגבוה יותר) יעבדו קרוב או ממש בתחום הדחיסה (compression), בעוד שאחרים יעבדו באיזור הליניארי. במקרה שכזה ביצוע המערך יושפע מאוד ממידת הכניסה של האלמנטים לתחום עבודה בדחיסה. לחלופין, המתכנן יכול, בהתבססו על סוג gain tapers שבשמוש, לבחור חוליות קישור RF שונות לאלמנטים השונים. אמנם זוהי משימה מסובכת יותר, אך בעזרת השמוש ביכולת המידול של ה- VSS גישה זו תניב מערכי מופע יעילים יותר. היכולת לנבא ביצועים אלה ולשנות את תכנון ה-RF כך שהדרישות יענו היא אחת היכולת היחודיות של ה-VSS מציע לצורך מידול מערכי מופע.

דוגמא
דוגמא סטנדרטית של פרוייקט מדגימה כיצד ניתן להשתמש ב- VSS כדי ליצור מודל ולבצע אנליזה של מערכי מופע. בתכנון זה, האלמנטים המרכיבים את המערך הם מסוג patch antennas. עקום הקרינה שלהם מוגדר כקובץ נתונים שנוצר כתוצאה מסימולצית EM. בדיאגרמה זו נעשה שמוש בבלוק, המייצג את האנטנה, על מנת להראות את עקום הקרינה של אלמנט יחיד ( איור 5). בלוק זה מוזן על ידי tone signal ושבח האלמנט מחושב כפונקציה של Theta ושל Phi.
שני בלוקים המייצגים מערכי מופע, משמשים כדי להדגים איך למדל מערך-מופע מרובע. הבלוק הראשון מיצג אלמנט אנטנה איזוטרופי, בעוד שהשני משתמש בנתוני עקום הקרינה שהוגדר עבור אלמנט אנטנת patch שהופיע באיור 5. המערך מבוסס על תצורת NxM (15×5) עם אלמנטים במרווח של חצי אורך גל. גיאומטריה סטנדרטית זו מאפשרת תצורה מלבנית או משולשת, על ידי שימוש בפרמטרים dx, dy ו- גמא (איור 6).
בדוגמא זו נעשה שמוש ב- gain tapers מסוג Chebychev עם יחס אונות צד של 40dB על מנת לעצב את היענות המערך ביחס לזווית off boresight. התוצאה עבור שני המערכים הללו משורטטים זה לצד זה על מנת להדגים את האפקט של עקומת הקרינה של האלמנט על ההיענות הכללית של המערך. (איור 7)

מסקנות
היכולת לתכנן ולאשש את ביצועי הרכיבים הבודדים יחד עם ערוץ האות שלם שמאפיין אנטנת מכ”ם AESA היא הכרחית ככל שמספר האלמנטים במערך גדל והשילוב בין אנטנות למכלולים אלקטרוניים מתרחב ומתקדם. ככל שגדלה השילוביות בין סימולציית מעגלים, בנית מודלים התנהגותיים, אנליזה אלקטרומגנטית בפלטפורמת תכן אחת, כך יוכלו צוותי הפיתוח לחקור לעומק רב יותר את ביצועי המערכת , ואת ההשפעות ההדדיות בין הרכיבים עוד לפני בניית אב טיפוס יקר.

References
1. Xiaoxiong Gu et al., “W-Band Scalable Phased Arrays for Imaging and Communications,” IEEE Commun. Mag., April 2011, pp. 196-20.

דר' גנט פאפאריסטו, קבוצת AWR ,NI

תגובות סגורות