Radar a komunikační systém rozšiřují dosah signálu na milimetrových vlnách

Tým z MIT Lincoln Laboratory vyvinul a předvedl širokopásmový selektivně šířící radar (WiSPR), systém schopný detekovat objekty na různých vzdálenostech na milimetrových vlnách (mmWave nebo MMW). Tyto vysoké frekvence, které se pohybují od 30 do 300 gigahertzů (GHz), se typicky používají pouze pro krátké vzdálenosti. WiSPR využívá elektronicky skenovací pole vysílacích a přijímacích antén, které vytvářejí úzké paprsky schopné rychle skenovat oblast a detekovat objekty zájmu. Úzké paprsky lze také manipulovat do širších paprsků pro komunikaci.

\"Vytvoření systému s dostatečnou citlivostí pro provoz na dlouhé vzdálenosti na těchto frekvencích pro radarové a komunikační funkce je náročné,\" říká Greg Lyons, vedoucí pracovník skupiny pro letecké radarové systémy a techniky v rámci oblasti výzkumu a vývoje systémů ISR (Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance) v Lincoln Laboratory. \"V naší skupině máme mnoho expertů na radar a všichni jsme diskutovali, zda je takový systém vůbec proveditelný. V komerčním sektoru probíhá mnoho inovací a my jsme využili těchto pokroků k vývoji tohoto multifunkčního systému.\"

Vysoká šířka pásma signálu dostupná na mmWave frekvencích je pro ně atraktivní. Dostupné licencované frekvence se rychle přetěžují a využití mmWave frekvencí uvolňuje značnou šířku pásma a snižuje interference mezi systémy. Vysoká šířka pásma signálu je užitečná v komunikačním systému pro přenos většího množství informací a v radarovém systému pro zlepšení rozlišení dosahu (tj. schopnost radaru rozlišovat mezi objekty ve stejném úhlovém směru, ale v různých vzdálenostech od radaru).

Fáze k úspěchu

V roce 2019 se laboratorní tým pustil do posouzení proveditelnosti svého konceptu mmWave radaru. Pomocí komerčně dostupných radiofrekvenčních integrovaných obvodů (RFIC), které jsou čipy vysílající a přijímající rádiové vlny, postavili systém s pevným paprskem (schopný pouze sledovat jeden směr, nikoliv skenovat) s rohovými anténami. Během demonstrace v mlhavém dni na Joint Base Cape Cod úspěšně detekoval kalibrační objekty na bezprecedentních vzdálenostech.

\"Jak postavíte prototyp toho, co bude nakonec velmi komplikovaný systém?\" ptá se manažer programu Christopher Serino, zástupce vedoucího skupiny pro letecké radarové systémy a techniky. \"Z tohoto testování proveditelnosti jsme ukázali, že takový systém skutečně může fungovat, a identifikovali jsme technologické výzvy. Věděli jsme, že tyto výzvy budou vyžadovat inovativní řešení, a proto jsme se na ně zaměřili v našem počátečním úsilí.\"

WiSPR je založen na vícepřepážkových anténních polích. Ať už slouží radarové nebo komunikační funkci, pole jsou fázovaná, což znamená, že fáze mezi jednotlivými anténními prvky se upravuje. Tato úprava zajišťuje, aby se všechny fáze sčítaly a řídily úzké paprsky požadovaným směrem. S touto konfigurací více fázovaných prvků se anténa stává směrovější v odesílání a přijímání energie k jednomu místu. (Taková fázovaná pole se stávají všudypřítomnými v technologiích jako jsou 5G smartphony, základní stanice a satelity.)

Aby umožnili malým paprskům nepřetržitě skenovat objekty, tým si na zakázku postavil RFIC s využitím nejmodernější polovodičové technologie a přidal do čipů digitální funkce. Řízením chování těchto čipů pomocí vlastního firmwaru a softwaru může systém hledat objekt a po jeho nalezení jej udržuje v \"sledování\", zatímco pokračuje v hledání dalších objektů - to vše bez fyzického pohybu antén nebo spoléhání se na operátora, který by systému říkal, co má dělat dál.

\"Fázování prvků v poli pro získání zesílení v určitém směru je standardní postup,\" vysvětluje zástupce manažera programu David Conway, vedoucí pracovník skupiny pro integrované RF a fotoniku. \"Co není standardní, je mít tolik prvků s RF na milimetrových vlnových délkách, které stále spolupracují, stále sčítají svou energii při vysílání a příjmu a jsou schopny rychle skenovat v velmi širokém úhlu.\"

Zarovnání a chlazení

Pro komunikační funkci tým vymyslel nový postup pro zarovnání paprsku.

\"Být schopen kombinovat mnoho anténních prvků, aby radar dosáhl za typické provozní rozsahy MMW - to je nové,\" říká Serino. \"Být schopen elektronicky skenovat paprsky jako radar s efektivně nulovou latencí mezi paprsky na těchto frekvencích - to je nové. Rozšíření některých z těchto paprsků, takže neustále nezapojujete a nezaměřujete během komunikace - to je také nové.\"

Další klíčovou inovací pro vývoj WiSPR je uspořádání chlazení, které odstraňuje velké množství tepla rozptýleného v malé ploše za vysílacími prvky, z nichž každý má svůj vlastní zesilovač výkonu.

Loni tým demonstroval svůj prototyp systému WiSPR na vojenském výcvikovém prostoru Aberdeen Proving Ground v Marylandu ve spolupráci s americkým Rapid Capabilities and Critical Technologies Office a americkým Army Test and Evaluation Command. Technologie WiSPR byla následně předána dodavateli pro výrobu. Přijetím WiSPR budou jednotky armády schopny efektivněji plnit své mise.

\"Očekáváme, že tento systém bude použit v blízké budoucnosti,\" říká Lyons. \"Naše práce posunula hranice mmWave radarů a komunikačních systémů jak pro vojenské, tak komerční aplikace.\"

\"Tohle je přesně ten typ práce, na kterou je Lincoln Laboratory hrdá: sleduje komerční sektor a využívá miliardové investice k vytváření nových technologií, místo aby se začalo od nuly,\" říká zástupce ředitele Lincoln Laboratory Marc Viera.

Toto úsilí podpořilo americké Army Rapid Capabilities and Critical Technologies Office. Tým se skládá z dalších členů skupin pro letecké radarové systémy a techniky, integrované RF a fotoniku, strojírenství, pokročilé kapacity a systémy, systémy vlasti a dopravní bezpečnost a odolnost laboratoře.