解析DARPA研发中的毫米波数字阵列技术

微波射频网2020-09-15 13:11:58

据DARPA网站2018年1月24日报道美国国防先进研究计划局(DARPA)正在组织设立新的“毫米波数字阵列”(MIDAS)项目,旨在发展工作在18GHz~50GHz频段的多波束数字相控阵技术,以强化军事平台之间的通信安全

军用通信系统目前面临的挑战

如今,人们越来越感兴趣于在小型移动平台上广泛运用毫米波频段来进行通信。在这种应用场景中,来自小辐射孔径的较窄天线波束可以提高通信的安全。但是,目前的毫米波系统易用性不足,而且是平台专用,缺乏互操作性,因此只能在最复杂的平台上使用。为了拓展毫米波相控阵的用途,并使之广泛应用于国防部的各种系统,必须克服许多技术挑战,包括宽频覆盖、精确波束指向、网状网络等。受益于多波束相控阵的应用,以及数字无线电和毫米波技术的进步,人们发展出了当今的技术能力,而接下来,在毫米波相控阵的推动下,通信和网络化移动平台将迎来新的变革。 

工作于更高频率毫米波频段的相控阵技术,是新兴5G无线通信的一个活跃的研究领域。然而,商业应用主要解决“最后一公里”问题,消费者需要给高数据吞吐量的应用以更多的带宽,在相对较短的距离上,在预定的频率范围内,使用户发现的障碍最小。与之相比,军用系统处于更复杂的通信环境。而且,如今的军事系统通常相隔数十英里,甚至数百英里距离,并在三维空间里以未知的方向移动。这种环境对于波束形成技术所带来的挑战,无法通过应用现有的商业通信方法轻易解决。

DARPA项目经理蒂莫西•汉考克说:“想象一下,两架高速飞行的飞机相互运动。它们必须在空中找到彼此,以便利用定向天线波束进行通信,这就产生了一个非常困难的、利用商用相控阵方案无法解决的挑战性问题。”

毫米波数字阵列项目研究目标及重点

为克服上述挑战,DARPA启动了“毫米波数字阵列”(MIDAS)项目。项目旨在研发阵元级数字相控阵技术,为国防部下一代毫米波系统提供支撑。为了解决波束成形问题并确保解决方案在应用上的广泛性,MIDAS项目将寻求研制一种可推动实现多波束定向通信的通用数字阵列模块。

研究的重点在于降低数字化毫米波收发器的尺寸并增强其性能,将相控阵技术应用于移动系统,并将移动通信的频段范围提高到不那么拥挤的毫米波频段。

在相控阵设计中,阵元级数字波束成形技术的进步正在推动形成新的多波束通信方案(或使用多个波束同时进行多个方向的接收和发送)。这些方案有助于大幅缩短节点发现时间,并提高网络吞吐量。然而,尽管这对于下一代相控阵来说十分关键,但目前的数字波束成形技术受限于较低的频率,导致相应的阵列在尺寸上因过大而无法在小型移动平台上使用。 

毫米波技术的进步有助于将工作频率推向更高频带、缩减相控阵天线阵列尺寸、将定向天线能力引入小型移动系统。Hancock说:“DARPA希望供应商的技术提案能够结合毫米波和数字波束成形技术的最新进步来研制无线电,从而为美军提供安全的通信能力。” 

为了实现该目标,MIDAS项目聚焦于两个关键技术领域:一是研发用于核心收发器的硅芯片;二是研发宽带天线、收发组件以及系统集成,通过集成使该技术能够得到广泛的应用,包括战术平台之间的视距内通信,现有和新兴的卫星通信等。

该项目为期四年,分三个阶段实施,已在2018年1月23日发布跨部门公告(BAA)。

参考:DARPA网站、CDSTIC、电波之矛、国防科技信息网

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