혁신적인 고급 레이더용 기반 기술

개요

전자기 스펙트럼은 논쟁이 날로 뜨거워지고 있는 분야입니다. 전자기기 대책은 정교해지고 있으며, 제 5 세대 전투기는 탐지하기가 더욱 어렵고, 대부분의 주요 패권국은 사이버 전쟁 기술에 투자하여 스펙트럼을 지배할 수 있습니다. 또한 휴대폰 공급 업체가 5G를 선보이고 자동차 제조업체가 V2X 통신을 시작하며, 사물의 인터넷이 무수한 장치로 무선 연결을 유도함에 따라 스펙트럼의 상업적 사용은 기하 급수적으로 확장되고 있습니다.

이러한 발전은 정보, 감시 및 정찰 (ISR) 시스템을 설계하고 테스트하는 과학자 및 엔지니어에게 새로운 과제를 제시합니다. 이러한 과제로 인해 엔지니어는 보다 비용 효율적이고 시간 효율적인 방법으로 점차 복잡해지는 시스템을 개발하여야 하고, 이러한 상황에서 혁신의 기회가 주어집니다.

이러한 정교한 시스템을 가능하게 하는 기본 기술도 이러한 문제를 해결하기 위해 진화하고 있습니다. 레이더 설계 및 테스트에 사용되는 계측 및 테스트 장비 공급 업체인 NI는 다음과 같은 4가지 최신 기술 혁신이 향후 몇 년간 레이더 기술에 가장 큰 영향을 미칠 것으로 전망합니다.

내용

프런트 엔드 부품용 질화갈륨(GaN)

실리콘 이후 가장 큰 반도체 혁신으로 간주는 GaN은, 기존의 반도체 소재보다 훨씬 높은 전압에서 작동 할 수있는 재료입니다. 전압이 높을수록 효율이 좋아 지므로 GaN을 사용하는 RF 전력 증폭기 및 감쇠기는 전력 소비 및 열 생성 정도가 크지 않습니다. GaN 기반 RF 부품 공급 업체가 양산준비가 완료된 신뢰할 수 있는 제품으로 시장에 진입함에 따라, GaN 기반 증폭기의 사용이 증가하고 있습니다.

이 기술은 AESA 레이더 시스템의 발전에 있어 중요한 기술입니다. AESA는 수백 또는 수천 개의 안테나가 있는 완전 활성 어레이로서, 각기 고유한 위상 및 이득 제어 기능을 갖추고 있습니다. 이 레이더 시스템은 송신기와 수신기의 위상 배열을 사용하여 안테나를 물리적으로 움직이지 않고 전자식으로 조종합니다. 이러한 유형의 레이더 시스템은 타사의 기존 레이더와 비교하여 목표물의 전력 증가, 공간 해상도 및 견고성 향상으로 인기가 높아지고 있습니다. 예를 들어 어레이의 한 요소가 실패해도 레이더는 계속 작동합니다. AESA 레이더에서 GaN 증폭기의 사용이 늘어나면서 성능이 개선되었습니다. 폼 팩터가 작고 냉각이 덜 필요하므로 동등한 출력을 얻을 수 있습니다.

그림 1. AESA 레이더 아키텍처

GaN 기술을 사용하는 어플리케이션과 솔루션이 발전함에 따라 컴포넌트 레벨의 테스트 결과와 시스템 레벨의 테스트 결과를 서로 연관시키는 것이 더욱 중요해지고 있습니다. 벡터 네트워크 분석기를 사용하는 기존의 컴포넌트 테스트 방법은 정방향 및 반사 이득 및 위상의 정확하고 협대역 뷰를 제공합니다. 이러한 방법이 인기는 있지만, 연속파(CW) 자극은 구성 요소가 궁극적으로 사용되는 실제 신호 환경을 정확하게 반영하지 못합니다. 대안으로, 벡터 신호 분석기 및 벡터 신호 생성기의 광대역 유연성을 활용하여 실제 어플리케이션 및 환경을 보다 잘 나타내는 펄스 및 변조된 자극을 생성할 수 있습니다. 이 기능을 S- 파라미터 분석과 결합하는 것은 컴포넌트 레벨에서 보다 전략적으로 테스트를 구현하는 방법입니다.

전송 및 수신을 위한 고속 데이터 컨버터

변환기 기술은 매년 지속적으로 발전하고 있습니다. 주요 반도체 회사의 ADC 및 DAC는 비슷한 해당도의 과거 5년 전 제품보다 몇 배 빠른 속도로 샘플링합니다. 고속 ADC의 해상도가 높아지면 레이더에 더 높은 동적 범위와 넓은 순시 대역폭이 제공됩니다. 동적 범위는 최대 작동 범위를 결정 짓는 중요한 요소입니다. 예를 들어, F-35와 같은 5 세대 전투기가 훨씬 더 멀리 목표물을 식별할 수 있게 지원합니다. 보다 순간적인 대역폭은 펄스 압축을 통한 공간 해상도 향상 및 LPI 레이더와 같은 고급 기술을 구현하는 기능 등의 몇 가지 이점을 제공합니다. 더 넓은 대역폭으로 가능해진 또 다른 추세는 센서 융합입니다. 이 과정에서 단일 신호 체인을 여러 기능에 할당 할 수 있습니다. 예를 들어 여러 주파수 대역에서 여러 파형 유형을 분할하여 광대역 센서를 통신 시스템과 레이더로 동시에 사용할 수 있습니다.

또한 많은 반도체 회사들이 최대 6.4GS/s의 속도로 데이터를 수집하는 TI ADC12DJ3200과 같은 "직접 RF 샘플링 컨버터"라고 불리는 ADC와 DAC를 출시하고 있습니다. 이 샘플 속도에서 12비트 분해능을 갖춘 RF 샘플링 컨버터는 업 변환 또는 다운 변환없이 RF 입력 신호를 C 대역으로 직접 변환할 수 있습니다. 컨버터가 계속 발전함에 따라 미래의 레이더는 C 및 X 대역 모두에서 직접 RF 샘플링의 이점을 얻을 수 있습니다.

그림 2. 헤테로다인과 직접 RF 샘플링 아키텍처 비교

Direct RF 샘플링 아키텍처는 AESA 레이더에 혁명을 일으킬 것입니다. 완전 활성 어레이에서 각 안테나 요소는 자체 ADC 및 DAC를 필요로 합니다. 즉, ADC와 DAC가 레이더의 동작 주파수에서 직접 샘플링 할 수 없다면 각 TRM도 자체 업/다운 변환 단계를 필요로 합니다. 이로 인해 설계 비용, 크기 및 성능 변동이 증가합니다. 그러나 직접 RF 샘플링 아키텍처를 사용하여 믹서 및 LO를 제거하여 RF 프런트 엔드 아키텍처를 단순화함으로써 비용, 크기 및 복잡성을 줄일 수 있습니다. 이와 같이 많은 수의 송신기 및 수신기로 직접 RF 샘플링 아키텍처는 채널 밀도를 크게 높이고 채널 당 비용을 절감 할 수 있습니다.

NI는 계측에 대한 모듈식 접근 방식을 채택함으로써, 상업용 계측기에 널리 사용되기 전에 최신 변환기를 시장에 신속하게 제공합니다. 예를 들어, NI의 최신 FlexRIO 트랜시버는 직접 RF 샘플링 컨버터를 사용하여 최대 6.4 GS/s까지 샘플링합니다. 이를 통해 연구원과 엔지니어는 실제 I/O로 신속하게 프로토타핑하고 최신 레이더의 최첨단 성능과 일치하는 테스트 벤치를 개발할 수 있습니다. 또한 이 디바이스는 PXI의 고급 타이밍 및 동기화 백플레인을 활용하여 단일 시스템의 수십에서 수백 개의 채널에 위상 일관성을 구현할 수 있습니다.

인지 기술을 위한 진화하는 FPGA 기술

FPGA 기술 또한 계속 향상되고 있습니다. 최신 FPGA는 훨씬 더 많은 로직을 포함하고 있고, 와트 당 더 많은 연산 능력을 제공하며 전용 IP 블록을 사용하여 최대 150Gb/s의 고속 데이터 스트리밍을 지원합니다. 오늘날 FPGA의 향상된 계산 기능은 5년 전만해도 불가능했던 혁신적인 기법의 시작을 알리는 것입니다.

새로운 FPGA 기술로 가능해진 혁신 분야 중 하나는 인지 레이더 내에서 기계 학습 기술을 적용하는 것입니다. 이러한 기술은 레이더가 환경에 보다 신속하게 반응할 수 있도록 하여, 보다 실용적인 인사이트를 제공합니다. 머신 러닝은 미리 프로그래밍된 작동 모드(검색 모드, 추적 모드 등) 대신 작동 주파수 및 파형 유형을 포함한 최상의 작동 매개 변수에 레이더가 자동으로 적응할 수 있도록 지원합니다. 머신 러닝은 또한 자동 타겟 인식(ATR)과 같은 기능의 잠금을 해제하고 지식 지원 작업을 용이하게합니다.

그림 3.인지 레이더 내 FPGA에 구현된 머신 러닝 기법

항공 우주 및 국방 조직은 수년 동안 FPGA 기술을 사용해 왔지만, 우리가 보아왔던 또 다른 진화는 고급 FPGA 설계 도구의 발전입니다. 높은 수준의 툴을 사용하여 마이그레이션 호스트 기반 알고리즘을 FPGA로 단순화하고 저수준 HDL을 설계에 통합함으로써 개발 효율성을 높일 수 있습니다. LabVIEW FPGA의 경우, PCI Express, JESD204B, 메모리 컨트롤러 및 클로킹과 같은 보드 인프라의 추상화를 통해 NI 하드웨어 소프트웨어 통합의 이점을 누릴 수 있습니다. 따라서 FPGA 개발의 초점이 보드 지원에서 알고리즘 디자인으로 바뀌므로 성능 저하없이도 개발을 단축할 수 있습니다. 더욱 추상화된 FPGA 툴은 이전 VHDL 또는 Verilog 전문 지식이 없는 소프트웨어 엔지니어 및 과학자 또는 일정이 빠듯한 하드웨어 엔지니어를 위해 개발 주기를 혁신적으로 줄여줄 수 있습니다.

센서 융합을 위한 고 대역폭 데이터 버스

또 하나의 핵심 추세는 PCI Express Gen 3, 40/100 GbE, Fibre Channel 및 Xilinx Aurora와 같은 고 대역폭 데이터 버스에 대한 의존도가 높아져, 고 대역폭 센서 데이터를 계산용 중앙 프로세서 방식으로 다시 이동시키는 것입니다. 예를 들어 F-35의 집적 코어 프로세서는 여러 ISR 센서의 데이터를 집계하여 데이터 집합 처리가 가능하도록 지원합니다. 이러한 방법으로 조종사는 상황을 보다 잘 인식할 수 있게 됩니다. 이러한 추세의 핵심은 고속 직렬 트랜시버 기술(멀티 기가비트 트랜시버 또는 MGT라고도 함)의 발전입니다. 이 기술은 최근 몇 년간 급속도로 발전해 왔으며 현재 회선 속도는 레인(lane) 당 32Gbps를 기록했습니다. PAM4 56Gbps도 곧 출시 예정입니다. FPGA는 주로 프로세싱 자원으로 간주되지만, 가장 정교한 MGT도 포함하고 있어 센서 개발에 필요한 이상적인 타겟이 됩니다.

그림 4. 고속 데이터 버스를 사용하는 중앙 집중식 처리를 위해 여러 ISR 센서에서 센서 데이터 집계

모듈형 계측기로 작업 시 이점은 추후 처리 전력 및 대역폭이 급격히 증가함에 따라 시스템을 보다 쉽게 발전시킬 수 있다는 점입니다. 특히 PXI 플랫폼은 고 대역폭 데이터 스트리밍과 통합 타이밍 및 동기화가 필요한 시스템에 적합합니다.

모듈형, COTS 계측기

이러한 기본 기술의 급속한 발전으로 인해 레이더 기술과 아키텍처의 복잡성과 기능성 역시 증가하고 있습니다. 지속적으로 발전하는 기술에 발맞춰 시스템도 진화해야 합니다. 설계 재능과 친밀한 지식을 모두 사내에서 사용할 수 있기 때문에, 레이더 프로토타입 및 테스트 시스템용 완벽한 맞춤형 하드웨어 및 소프트웨어를 내부적으로 개발하는 것이 필요한 맞춤화 및 성능 달성을 위한 유일한 옵션처럼 보일 수 있습니다. 그러나 이러한 솔루션에서는 장기 유지보수 책임 및 기회 비용도 함께 고려야하여야 합니다.

FPGA의 출현과 새로운 변환기 및 스트리밍 기술의 모듈식 폼 팩터로의 신속한 채택으로, COTS 솔루션은 요구 사항을 충족시킬 뿐만 아니라 시스템이 긴 수명주기를 달성할 수 있도록 유연성을 제공할 수 있습니다. 이러한 기술을 모듈식 COTS 폼 팩터에 신속하게 통합함으로써, NI는 엔지니어들이 빠듯한 일정 및 예산에 맞게 첨단 레이더 시스템의 진화하는 요구 사항을 맞출 수 있도록 지원합니다.

엔지니어와 연구자가 진화하는 위협에 적응할 수있는 레이더 시스템을 구축하고 테스트하기 위해 계측기를 사용하는 방법에 대해 자세히 알아보십시오.

고 대역폭 레이더 시스템의 프로토타이핑 및 테스트를 위한 FlexRIO 디바이스에 대해 자세히 알아보십시오.