Antenne Attive
SELEX Sistemi Integrati
Mario Teglia - 25 Maggio 2011
Contenuto
• Selex - Sistemi Integrati
• Evoluzione delle Architetture
• Le antenne Attive: Discipline e Laboratori
• Scansione in un piano
• Scansione nel volume
• L’architettura del Controllore d’Antenna
• Il Test e la Calibrazione
• Evoluzione delle Architetture
• Evoluzione delle Tecnologie
• EMC e Design
• Domande e Conclusioni
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SELEX Sistemi Integrati:
Posizione sul Mercato e Strategia Prodotto
Leader mondiale consolidato nei Sensori Radar Terrestri e Navali
Presenza a livello mondiale nei Grandi Sistemi per la Sicurezza e Difesa del Territorio
Presenza chiave a livello globale nell’Integrazione di Sistemi di Difesa
Navale di Combattimento, Sistemi C4I, di Difesa Aerea, Sistemi di
Controllo del Traffico Aereo
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SELEX Sistemi Integrati: la storia
Aeritalia
Sindel Alenia
Selenia
Microlambda
Raytheon
ITF
Alenia Difesa
AMS
CaRS
GEC Marconi
BAE
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2005
GEMATRONIK
VEGA Consulting Services Ltd VEGA Germania VEGA Francia VEGA Spagna
2010
VEGA Group
ASI
SELEX Sistemi Integrati S.p.A.
SELEX Systems Integration Inc. SELEX Systems Integration Ltd SELEX Systems Integration GmbH
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SELEX Sistemi Integrati: dati significativi
Ricavi € 900 milioni
Portafoglio Ordini € 2800 milioni
Dipendenti 4200 *
(Dati Bilancio 2009)
* Più del 30% di dipendenti all’estero
Genoa
La Spezia
Rome
FusaroGiugliano
Taranto
USA
Brasile
Francia
UK
Germania
UAE
KeniaMalesia
Nerviano
Arabia Saudita
Belgio
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Evoluzione Sistemi nel mondo
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EVOLUZIONE DELLE ARCHITETTURE in Selex
Process
Rx
1980 1990 2000
Tx Process
RF IF
2010
Tx ProcessRx
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I sistemi RADAR (RAdio Detection And
Ranging) hanno bisogno di una notevole
direttività. A tal fine utilizzano dei sistemi
di antenna Phased Array, realizzati
mediante strutture regolari di elementi
radianti ognuno dei quali alimentato da
uno sfasatore: mediante l’opportuna fase
relativa tra gli elementi e possibile fare in
modo che l’energia elettromagnetica si
orienti in una determinata direzione e sia
soppressa in altre non desiderate.
Qualora gli elementi radianti siano
alimentanti in antenna da moduli T/R si
parla di Active Array
Sistemi Radar
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Discipline
Elettromagnetismo: Analisi e
modellazione
Circuiti digitali
Sistemi operativi
ed Applicativi
Software
Integrazione e Collaudo
Meccanica,
Elettromeccanica,
Idraulica,
Termica
Sistemistica
Progettazione RF
Progettazione
GaAs
Tecnologie plastiche
Fotoniche
Microelettronica
Circuiti analogici
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Laboratori
Sala di modellazione
elettromagnetica
Camera
Pulita
Camera
Anecoica
Area Integrazione
e Collaudo
Rapid Prototyping
Meccanico
Laboratorio RF
Laboratorio
Tecnologie
Plastiche
Laboratorio
Antenne
Fonderia© 2011 SELEX Sistemi Integrati Proprietary information All rights reserved 10
Sistemi Terrestri Integrati e Sistemi di Difesa Aerea
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3-D Array: Scansione in un piano
RF IN-OUT
Phase
Shifters
1
2
3
4
5
6
6
5
4
3
2
1
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Scansione in un piano : esempio Radar Avvistamento
Upper Front Assy
Central Front Assy
Lower Front Assy
4241
-
--
---2928
----1514------21
Top view1 2 51 52
42
41--
-
-
-
-
-
-
-----2
1
Tx/Rx row
Tx/Rx row
Rear Module
Boost
Boost
Boost
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Archietettura RAT
Filter
Modulo TX/RX
HPA
Controllo
ampiezza
Sfasatore
LNAControllo
ampiezza
Sfasatore
Generatore
forme d’onda
Timing control
Beamformer
RicevitoreOscillatore
Locale
ADC
I/QElaboratoreDisplay
Console
I moduli
sostituiscono il
trasmettitore TWT.
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Modulo Tx/Rx
Row Plate
from Main Line
Main
PowerS
upply
to Cal Div.
Tx/Rx Row
Serial Bus Logic Control
Circuits
from Tx div.Low Pow
Ampl.
to BFN 1-4
1
TRM
LNA2
3
4
PAM
Booster
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Riga orizzontale
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Stripline sospesa in FR4 caricata con Foam PP2 - 3,5 m
Scansione nel volume
In base a ciò che si deve sorvegliare in un radar multifunzionale è possibile
cambiare tempi di illuminazione e forme d’onda ed a seguito di quanto viene
osservato in un radar multifunzionale è possibile cambiare i volumi ed i modi di
copertura e di tracciamento del radar.
Radar multifunzionale:
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Scansione nel volume
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Phase equation
d
q0 F0= 2 p d sin q0
l
Phase shifters are used to change the transmission phase angle of a network.
Ideal phase shifters provide low insertion loss, and equal amplitude (or loss) in all phase states.
Most phase shifters are reciprocal networks, meaning that they work effectively on signals passing
in either direction. Phase shifters can be controlled electrically, magnetically or mechanically: we
will concentrate mainly on those that are electrically-controlled
Ph.Sh#i Ph.Sh#i+1 Control
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RF exciter
TR modules
sfasatori
ARCHITETTURA
Ampl.
LNA
Attenuator
Phase shifter
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x
x
K(m,n,B,f)
U0(f)
V0(f)
xm
yn
+
+Fm,n
F1,n
F2,n+1
F3,n
Beam Pointing Algorithm
Fm,n2pf/c (u0*xm+v0*yn) + K(m,n,B,f)
Fm,n (U0(f)*xm+V0(f)*yn) + K(m,n,B,f)
Fm,n è il codice di fase per lo sfasatore che occupa il posto n-esimo di
ordinata e m-esimo di ascissa nell’array,
f è la frequenza utilizzata
u0 e v0 sono i coseni direttori
xm e yn sono le distanze dello sfasatore riferite al centro dell’array
K(n,m,B,f) è il coefficiente correttore di fase (dipendente dalla posizione dello
sfasatore, dal codice di allargamento del fascio e dalla frequenza)
K(n,m,B,f)=Ksfas(f)+Krete(n,m,f)+K(B)
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Phased Array Antenna Control Computer
• A Phased Array Antenna Control Computer is the logic
control design and develloped in order to steer and to control
the phased array antennas elements.
• Main features:
– To compute and carry out beam steering positions
– To Reduce the possibility of phase transients in signals
received or transmitted with the antennas;
– To increase control and testing capacity with respect to the
antennas.
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Antenna Control
• Beam Steering & Operative Mode command
• Computes Phase and Amplitude Coefficients for T/R modules
( with Transmit Null & Soft Degradation option )
• Array Calibration Timing & Control
• Phase Shifter [T/R] networking by Differential Signals
• Carries out command by timing signal
Provides the functionality for:
1. On-line performance Monitoring
2. Fault Location
3. Off-line diagnostic testing
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Approcci per Antenna Control
• Approccio Concentrato
AC
Vantaggi:
Semplicità di sviluppo
Facilità di manutenzione e modifica
Limiti:
Capacità di calcolo
Complessità interconnessione attuatori
Banda di comunicazione attuatori
Aggiornamento fascio lento
• Approccio Distribuito Vantaggi:
Elevata “Graceful degradation”
Aggiornamento fascio rapido
Banda di comunicazione attuatori
Limiti:
Costo ricorrente elevato
Modifiche difficili da attuare
Supervisione e Monitor
• Approccio Misto
Legenda
Attuatore
Controllo
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La Camera Anecoica
Una Camera Anecoica è una struttura tale
che il campo elettromagnetico (EM) al suo
interno è schermato da campi EM generati
all'esterno di essa,mediante il rivestimento
con materiale ad alto assorbimento (di
solito materiali polimerici modellati in
maniera cuneiforme)
Gli stessi materiali riducono la possibilità di
riflessioni EM all’interno della struttura
stessa
Un Near Field Antennas Test Range è un
sistema completamente automatico per il
collaudo e la diagnostica di antenne,
generalmente controllato in Temperatura,
Umidità e Vibrazioni
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Camera Anecoica
Il Test delle Antenne Attive
Nessun Inquinamento elettromagnetico
Possibilità di misura indipendente dalle
condizioni metereologiche
Condizioni operative confortevoli
Nessuna necessità di movimento dell’antenna
Misure molto accurate e non affette
dall’ambiente (riflessione, diffrazione)
Alta reiezione ai disturbi intenzionali o Jammer
Evita limiti legati alle dimensioni dell’antenna
Capacità di diagnostica
Test Range Sistema in Camera Anecoica
Stessi vantaggi delle misure in Camera
Anecoica
Possibilità di test del sistema integrato con
riduzione dei costi associati
Generazione di scenari complessi mediante
Target ed Environment Generator
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La Tecnica del Test
Side-Lobes
Levels Referred to Isotropic Source are Measured in dBi
Peak Level Referred
to Isotropic Radiator
Isotropic Radiator
Antenna
Pattern di radiazione
NF-FF
Matrice di Illuminazione
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Test Range
Roma
Fusaro
Selex-SI è Leader europeo per qualità e quantità
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La Diagnostica
S1
S2
SN
aN,fN
a2,f2
a1,f1
STOT
S1
Mi
s1
S2S3
SN
Re
Im
Mi
s2
-S1
Re
Im
Vantaggi
misure radiative (fuori tutto)
pochi componenti HW
tempi di misura ridotti (minuti)
diagnostica di antenna
ricostruzione patterns
(lobi laterali, puntamenti)
Impiego attuale
test veloci post integrazione
test antenna su sito
implementazione on line sui sistemi
radar
calibrazione on line antenne attive
La complessità dei Sistemi richiede Diagnostici affidabili© 2011 SELEX Sistemi Integrati Proprietary information All rights reserved 29
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Sistemi Multiruolo - Multidominio
Scenari operativi sempre più complessi richiedono versioni di Sistemi di
difesa Multiruolo con capacità di intervento rapido, afferenti la sicurezza,
in grado di integrare sistemi radar, sistemi di comando, controllo
combattimento in ampi systems of systems multi-piattaforma e multi-
dominio
Own MissilesTracking
IFF
Hig
DiverTracking Burnthrough
(SSJ)
Acquisitionon ExternalDesignation
Tracking
AutomaticFrequency Selection
& Jammer MapMaintenance
SurfaceTracking
Low AltitudeTracking
(Sea Skimmers & Helicopters)
Clutter MapMaintenance
(Sea, Rain, Land)
HorizontalSearch
SurfaceJamming
Tracking on External
DesignatedTargets
Up-LinkMessage
Transmission
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Architettura di Sistema
Re
ce
ive
r
Exciter
Apertura Radiante UWB
…
TRM
RF Cables
Power Combiners
Control Logic
Da
ta R
ec
ord
er
Sig
na
l Pro
ce
ss
or
Receiv
ers
Exciters
UWB Beam-Forming Network flessibile
…
TRM/TTD
RF Cables
Power Combiners
Scheduler &
Control
Da
ta R
ec
ord
er
Sig
na
l Pro
ce
ss
or
Flessibilità di impiego introdotta dal DBFN
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Possibili Architetture AESA
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Configurazioni di subarray
analizzate sono:
1.Subarray contigui di forma
rettangolare unica tipologia
2.Subarray contigui di forma
rettangolare di dimensioni
diverse
3.Subarray contigui di forma
irregolari unica tipologia
4.Subarray sovrapposti di
forma rettangolare
Più i subarray sono piccoli più è accurata la sintesi del fronte di fase
Architettura: Digital Phased Array Radar (Panel array level)
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Componenti Tile – Pannello radiante
• Pannello radiante compatto, sottile, leggero, conformabile, modulare e scalabile per
realizzare antenne a basso profilo di varie forme e dimensioni per impieghi Ultra
WideBand (UWB).
• Flessibilità in termini di Growing Capability: si presta alla evoluzione verso le
Smart o Digital Antennas
Patches
Dielectric layers
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Tecnologia - Pannello radiante
• Struttura stampata multilayer di pacth sagomati sovrapposti ad eccitazione
mediante slot con microstriscia
• Selezione dei materiali dielettrici e tecnologie di incollaggio
• Struttura coassiali realizzate mediante via hole banda larga
• Ottimizzazione mediante modelli elettromagnetici nel dominio del tempo
• Combinazione di Foam e Dielettrici a bassa perdita ed espansione termica
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Configurazione multistrato utilizzabile per la sezione TR
Manifold with different layers:
1. Cooling structure with metal plate for low power
2. Multilayer for power supply, RF and digital signal
3. Vertical feed through based on coaxial push contacts
4. Thermal interface of polimeric foil sandwich
5. Components arranged in vertical stacked manner in cavities
6. Digital control unit centrally located
7. Three ceramic multilayer interconnected by solder balls
8. HTCC microstrip lines
9. High maintenability
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Soluzioni attuali per la dissipazione termica
Generalmente sia il trasferimento che lo smaltimento del calore generato nei
moduli in Antenna avviene utilizzando un unico fluido : liquido (miscela
acqua/glicol ).
lI fluido è quindi ll mezzo che permette di effettuare entrambe le operazioni: di
trasporto del calore dai punti concentrati ed il suo smaltimento attraverso
batterie di scambio .Le Batterie di scambio possono essere di diverso tipo in funzione del fluido e del mezzo
refrigerante finale di cui si dispone :
batterie di scambio acqua/aria (nel caso si disponga senza difficoltà dell’aria
esterna) logicamente è la soluzione meno costosa specie se la batteria di scambio è collocata
sull’antenna
batterie di scambio acqua/acqua (nel caso si disponga di acqua raffreddata, come
sulle navi) la soluzione è più efficace della precedente potendo abbassare maggiormente la
temperatura del fluido ma richiede sicuramente un impianto più complesso e meno affidabile (2
circuiti idraulici di acqua primaria e di acqua secondaria e giunto idraulico)
batterie di scambio acqua/freon (nel caso sia disponibile un impianto frigorifero) la
soluzione è più efficace della precedente potendo abbassare maggiormente la temperatura
del fluido ma richiede sicuramente un impianto più complesso e meno affidabile (circuito
idraulico di acqua primaria e giunto idraulico e impianto freon)© 2011 SELEX Sistemi Integrati Proprietary information All rights reserved 37
Theory
Exp.
Strutture basate su metamateriali
©2010
SE
LE
X S
iste
mi I
nte
gra
ti
Confid
entia
l A
ll rig
hts
reserv
ed
Strutture più compatte a parità di prestazioni
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Albero Integrato
……ieriieri ancora oggi ancora oggi ……
Antenne separate necessarie per le diverse funzioni (Radar, Guerra Elettronica
(GE), Comunicazioni (COM)) rappresentano un limite di operatività e costo del
sistema.
La localizzazione delle antenne nell’albero integrato è il primo passo nella
direzione della razionalizzazione
System
Manager
Signaland Data processing
Sistema di Sistema di
CombattimentoCombattimento
Conclusioni
Grazie per l’attenzione
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SELEX Sistemi Integrati S.p.A
Via Tiburtina, Km 12.400
00131 - Roma, Italia
T +39 06 41501