4 혁신적인 고급 레이더용 기반 기술

실리콘 이후 가장 큰 반도체 혁신으로 간주되는 GaN은 기존의 반도체 소재보다 훨씬 더 높은 전압에서 작동할 수 있는 재료입니다. 전압이 높을수록 효율이 높아지므로 GaN을 사용하는 RF 전력 증폭기 및 감쇠기는 전력 소비량 및 열 생성량 모두 낮아집니다. 더 많은 GaN 기반 RF 구성요소 공급 업체가 양산준비가 완료된 신뢰할 수 있는 제품으로 시장에 진출함에 따라 GaN 기반 증폭기의 사용이 증가하고 있습니다.

이 기술은 능동 전자주사식 위상배열(AESA) 레이더 시스템의 발전에 있어 매우 중요합니다. AESA는 수백 또는 수천개의 안테나가 있는 완전 능동 위상 배열로서, 각기 고유한 위상 및 게인 제어 기능을 갖추고 있습니다. 이러한 레이더 시스템은 송신기와 수신기의 위상 배열을 사용하여 안테나를 물리적으로 움직이지 않고 전자식으로 비을 조종합니다. 이러한 유형의 레이더 시스템은 타사의 기존 레이더보다 더 높은 최대 전력 및 공간 해상도, 그리고 향상된 견고성으로 인기가 높아지고 있습니다. 예를 들어 배열의 한 요소에 오류가 발생하는 경우에도 레이더가 계속 작동합니다. AESA 레이더에서 GaN 증폭기의 사용이 늘어남에 따라 성능이 개선되며, 더 작은 폼 팩터 및 낮아진 냉각 소요로 동등한 출력을 제공할 수 있습니다.

그림 1. AESA 레이더 아키텍처

GaN 기술을 사용하는 어플리케이션과 솔루션이 발전함에 따라 구성요소 레벨의 테스트 결과와 시스템 레벨의 테스트 결과를 서로 연관시키는 것이 더욱 중요하게 되었습니다. 벡터 네트워크 분석기를 사용하는 기존의 구성요소 테스트 방법은 정방향 및 반사 게인 및 위상의 정확하고 협대역 뷰를 제공합니다. 그러나 널리 사용되는 이 방법에서 연속파(CW) 자극은 구성요소가 궁극적으로 사용되는 실제 신호 환경을 정확하게 반영하지 못합니다. 대안으로, 벡터 신호 분석기 및 벡터 신호 생성기의 광대역 유연성을 활용하여 실제 어플리케이션 및 환경을 보다 더 잘 나타내는 펄스 및 변조된 자극을 생성할 수 있습니다. 이 기능을 S- 파라미터 분석과 결합하면 구성요소 레벨에서 보다 전략적으로 테스트를 수행할 수 잇습니다.

컨버터 기술은 매년 지속적으로 발전하고 있습니다. 주요 반도체 회사의 A/D 컨버터(ADC) 및 D/A 컨버터(DAC)는 거의 동일한 해상도로 5년 전 제품보다 몇 배 빠른 속도로 샘플링할 수 있습니다. 고속 ADC의 높은 해상도로 레이더에 더 높은 동적 범위와 넓은 순시 대역폭이 제공됩니다. 동적 범위는 최대 작동 범위를 결정하는 데 중요한 요소로, F-35와 같은 5세대 전투기가 훨씬 더 멀리 목표물을 식별할 수 있도록 지원합니다. 순시 대역폭이 넓어지면 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 할당할 수 있습니다. 예를 들어, 여러 주파수 대역에서 여러 파형 유형을 분할하여 광대역 센서를 통신 시스템과 레이더로 동시에 사용할 수 있습니다.

또한 많은 반도체 회사에서 최대 6.4GS/초의 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

예를 들어 NI의 PXI FlexRIO IF 트랜시버를 통해 AESA 레이더가 혁신할 것입니다. 완전한 능동 위상 배열에서 각 안테나 요소는 자체 ADC 및 DAC를 필요로 합니다. 즉, ADC와 DAC가 레이더의 작동 주파수에서 직접 샘플링할 수 없다면 각 TRM도 자체 업/다운 변환 단계가 필요합니다. 이로 인해 설계 비용, 크기 및 성능 변동이 증가합니다. 그러나 직접 RF 샘플링 아키텍처를 사용하여 믹서 및 LO를 제거하여 RF 프런트엔드 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 절감할 수 있습니다.

NI는 계측에 대한 모듈식 접근 방식을 채택함으로써, 상업용 계측기에 널리 사용되기 전에 시장에 최신 컨버터를 신속하게 제공할 수 있습니다. 예를 들어, NI의 최신 FlexRIO 트랜시버는 직접 RF 샘플링 컨버터를 사용하여 최대 6.4 GS/초까지 샘플링할 수 있습니다. 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.

FPGA 기술 또한 계속 향상되고 있습니다. 최신 FPGA는 훨씬 더 많은 로직을 포함하고 있고, 와트 당 더 높은 연산 능력을 제공하며 전용 IP 블록을 사용하여 최대 150Gb/초의 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 용이하게 합니다.

그림 3. 인지 레이더 내 FPGA에 구현된 머신 러닝 기법

항공 우주 및 국방 조직은 오랫동안 FPGA 기술을 사용해 왔는데, 우리가 보아왔던 또 다른 진화는 바로 고급 FPGA 설계 도구의 발전입니다. 높은 수준의 도구를 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. 이를 통해 FPGA 개발의 초점이 보드 지원에서 알고리즘 디자인으로 전환되어 성능 저하없이도 개발을 단축할 수 있습니다. 더욱 추상화된 FPGA 도구는 이전 VHDL 또는 Verilog 전문 지식이 없는 소프트웨어 엔지니어 및 과학자 또는 일정이 빠듯한 하드웨어 엔지니어를 위해 개발 주기를 혁신적으로 줄여줄 수 있습니다.

또 하나의 중요한 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 더 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 추후 처리 전력 및 대역폭이 급격히 증가함에 따라 시스템을 보다 쉽게 발전시킬 수 있다는 이점이 있습니다. 특히 PXI 플랫폼은 고 대역폭 데이터 스트리밍과 통합 타이밍 및 동기화가 필요한 시스템에 적합합니다.

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 컨버터 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.