Antenne Attive SELEX Sistemi Integrati - dea.uniroma3.it · • Selex - Sistemi Integrati • Evoluzione delle Architetture • Le antenne Attive: Discipline e Laboratori • Scansione

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

© 2011 SELEX Sistemi Integrati Proprietary information All rights reserved 2

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


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


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


Evoluzione Sistemi nel mondo


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/10/Sbx_underway.jpg

EVOLUZIONE DELLE ARCHITETTURE in Selex

Process

Rx

1980 1990 2000

Tx Process

RF IF

2010

Tx ProcessRx


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


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


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


3-D Array: Scansione in un piano

RF IN-OUT

Phase

Shifters

1

2

3

4

5

6

6

5

4

3

2

1


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


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.


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


Riga orizzontale


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:


Scansione nel volume


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


RF exciter

TR modules

sfasatori

ARCHITETTURA

Ampl.

LNA

Attenuator

Phase shifter


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)


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.


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


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


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


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


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


Test Range

Roma

Fusaro

Selex-SI è Leader europeo per qualità e quantità


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

Non inserire

figure o testo al di

sopra di questa

Non inserire


sotto di questa

30

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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sopra di questa

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sotto di questa

31

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


Non inserire


sopra di questa

Non inserire


sotto di questa

32

Possibili Architetture AESA

© 2007 SELEX Sistemi Integrati. All rights reserved

32

Configurazioni di subarray

analizzate sono:

1.Subarray contigui di forma

rettangolare unica tipologia


rettangolare di dimensioni

diverse


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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sopra di questa

Non inserire


sotto di questa

34

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


Non inserire


sopra di questa

Non inserire


sotto di questa

35

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


Non inserire


sopra di questa

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sotto di questa

36

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


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


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


SELEX Sistemi Integrati S.p.A

Via Tiburtina, Km 12.400

00131 - Roma, Italia

T +39 06 41501

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