Quatre technologies sous-jacentes révolutionnaires pour les radars avancés

Le nitrure de gallium (GaN), considéré par certains comme l’innovation la plus importante depuis le silicium dans le domaine des semi-conducteurs, est un matériau capable de fonctionner à des tensions beaucoup plus élevées que les matériaux semi-conducteurs traditionnels. L’augmentation de tension supportée se traduit par une plus grande efficacité, réduisant ainsi la consommation d’énergie et la production de chaleur des amplificateurs et des atténuateurs de puissance RF qui utilisent du GaN. Le plus grand nombre de fournisseurs de composants RF à base de GaN investissant le marché, avec des produits fiables et prêts pour la fabrication, a entraîné l’augmentation de l’utilisation d’amplificateurs à base de GaN.

Cette technologie est importante pour l’évolution des systèmes de radars à antenne active (AESA). Un AESA est un réseau totalement actif qui comprend des centaines, voire des milliers d’antennes, chacune dotée de sa propre commande de phase et de gain. Ces systèmes radar dirigent électroniquement les faisceaux sans déplacement physique de l’antenne grâce à une antenne réseau à commande de phase composée d’émetteurs et de récepteurs. Ces types de systèmes radar connaissent un succès grandissant du fait de leur plus grande puissance vers la cible, leur résolution spatiale et leur robustesse accrue comparée aux radars conventionnels. Par exemple, en cas de défaillance de l’un des éléments du réseau, le radar continue de fonctionner. L’utilisation accrue des amplificateurs GaN dans les radars AESA devrait offrir de meilleures performances, en assurant une puissance de sortie équivalente dans des facteurs de forme plus petits et en exigeant moins de refroidissement.

^{Figure 1 : Architecture de radar AESA}

Avec la complexification des applications et des solutions à base de technologie GaN, il devient crucial de corréler les résultats de test au niveau du composant avec ceux au niveau du système. Les méthodes traditionnelles de test de composants qui utilisent des analyseurs de réseau vectoriel fournissent une vue précise et en bande étroite du gain et de la phase des signaux transmis et réfléchis. Cependant, le stimulus d’onde entretenue (CW, continuous wave) de cette méthode répandue ne reflète pas fidèlement la véritable ambiance électronique dans laquelle le composant finira par être utilisé. Une alternative consiste à tirer parti de la flexibilité de la large bande des analyseurs de signaux vectoriels et générateurs de signaux vectoriels pour créer des impulsions et des stimuli modulés qui sont plus représentatifs des applications réelles et de leurs environnements. Combinée avec l’analyse des paramètres S, cette méthode présente de plus en plus d’avantages pour le test au niveau du composant.

La technologie des convertisseurs ne cesse d’évoluer chaque année. Les convertisseurs analogiques/numériques (C A/N) et les convertisseurs numériques/analogiques (C N/A) actuels des grands fabricants de semi-conducteurs offrent une fréquence d’échantillonnage bien plus élevée que celle de leurs prédécesseurs produits cinq ans plus tôt avec des résolutions similaires. Profitant d’une résolution accrue, ces convertisseurs C A/N haute vitesse fournissent aux radars une gamme dynamique plus étendue et une bande passante instantanée plus large. La gamme dynamique est un facteur essentiel pour augmenter la portée maximale. Elle permet par exemple aux avions de chasse de cinquième génération, comme le F-35, d’identifier des cibles beaucoup plus éloignées. Une plus large bande passante instantanée offre plusieurs avantages, dont une résolution spatiale accrue grâce à la compression des impulsions et la possibilité de mettre en œuvre des techniques de pointe telles que le radar LPI (low probability of intercept). La fusion de capteurs est une autre technologie rendue possible par l’augmentation de bande passante. Elle permet d’assigner une unique chaîne de signaux à plusieurs fonctions. Par exemple, vous pouvez utiliser un capteur à large bande à la fois comme système de communications et comme radar, en divisant plusieurs types de signaux sur plusieurs bandes de fréquence.

En outre, de nombreux fabricants de semi-conducteurs lancent des C A/N et C N/A qu’ils nomment « convertisseurs d’échantillonnage RF direct », comme le TI ADC12DJ3200, qui acquiert les données à des vitesses qui vont jusqu’à 6,4 Géch./s. La résolution de 12 bits, combinée à de telles vitesses d’échantillonnage, permet aux convertisseurs d’échantillonnage RF de convertir directement des signaux RF d’entrée en bande C sans aucune conversion par élévation ou abaissement de fréquence. Au fil de l’évolution des convertisseurs, les futurs radars bénéficieront de l’échantillonnage RF direct dans les bandes C et X.  

^{Figure 2 : Architecture d’échantillonnage RF hétérodyne par rapport à une architecture d’échantillonnage RF direct}

L’émetteur-récepteur IF FlexRIO PXI de NI, par exemple, va révolutionner les radars AESA. Dans un réseau totalement actif, chaque élément d’antenne a besoin de son propre C A/N et C N/A. Par conséquent, si les C A/N et les C N/A ne peuvent pas échantillonner directement à la fréquence de fonctionnement du radar, chaque module d’émission et de réception (TRM) doit également passer par sa propre étape de conversion par élévation ou abaissement de fréquence. Cela entraîne une augmentation des coûts de conception, de la taille et de plus grandes variations des performances. Vous pouvez cependant réduire les coûts, la taille et la complexité en utilisant une architecture d’échantillonnage RF direct pour simplifier l’architecture des frontaux RF en éliminant le mélangeur et l’oscillateur local (LO). Avec un si grand nombre d’émetteurs et de récepteurs, les architectures d’échantillonnage RF direct peuvent augmenter considérablement la densité de voies et réduire le coût par voie.

En adoptant une approche modulaire de l’instrumentation, NI commercialise les tout derniers convertisseurs avant qu’ils deviennent largement disponibles dans le commerce. Par exemple, le nouvel émetteur-récepteur FlexRIO utilise des convertisseurs d’échantillonnage RF direct et atteint une vitesse de 6,4 Géch./s. Cela permet aux chercheurs et aux ingénieurs de prototyper rapidement à l’aide d’E/S réelles et de développer des bancs de test adaptés aux performances de pointe des radars actuels. Ces matériels peuvent également tirer parti du fond de panier du PXI doté de cadencement et de synchronisation avancés pour que les dizaines, voire les centaines de voies d’un seul système, soient cohérentes en phase.

La technologie FPGA continue elle aussi de s’améliorer chaque année. Les FPGA modernes contiennent bien plus de blocs logiques. Ils fournissent une puissance de calcul par watt plus élevée et supportent le transfert haute vitesse de données en streaming jusqu’à 150 Go/s avec des blocs IP dédiés. Les capacités de calcul accrues des FPGA actuels ouvrent la voie à des techniques innovantes encore impossibles il y a cinq ans.

Un des domaines d’innovation qui peut se développer grâce aux nouvelles technologies FPGA est l’application des techniques de machine learning au radar cognitif. Ces techniques augmentent la réactivité des radars par rapport à leur environnement, ce qui leur permet de fournir des informations plus exploitables. Au lieu d’utiliser des modes de fonctionnement pré-programmés (mode balayage, mode poursuite, etc.), le machine learning permet aux radars de s’adapter automatiquement aux meilleurs paramètres de fonctionnement, y compris la fréquence de fonctionnement et les différents types de waveform. Le machine learning permet de concrétiser des capacités telles que la reconnaissance automatique de cibles (ATR, automatic target recognition) et facilite les opérations assistées par les connaissances.

^{Figure 3 : Techniques de machine learning appliquées au FPGA dans le cadre du radar cognitif}

Même si les organisations de l’aérospatiale et de la défense utilisent la technologie FPGA depuis de nombreuses années, nous avons pu constater une amélioration des outils de conception FPGA de plus haut niveau. Les outils de plus haut niveau peuvent augmenter l’efficacité du développement en simplifiant la migration d’algorithmes basés sur l’hôte vers les FPGA, tout en intégrant les langages de description de matériel (HDL) de bas niveau dans la conception. Dans le cas du logiciel LabVIEW FPGA, vous pouvez également bénéficier de l’étroite intégration matérielle et logicielle de NI grâce à l’abstraction de l’infrastructure des cartes comme le PCI Express, JESD204B, les contrôleurs de mémoire et le cadencement. Cela permet de détourner l’objectif du développement FPGA du support de carte vers la conception d’algorithmes, ce qui réduit les efforts de développement sans pour autant compromettre les performances. Les outils FPGA avec un plus haut niveau d’abstraction peuvent largement contribuer à réduire le cycle de développement, même pour les ingénieurs logiciels et scientifiques qui ne possèdent aucune expérience préalable en VHDL ou Verilog, ou pour les ingénieurs de développement matériel qui doivent composer avec des délais serrés.

Une autre tendance clé est la dépendance croissante aux bus de données à plus large bande, comme PCI Express 3e génération, 40/100 GbE, Fiber Channel et Xilinx Aurora qui permettent de transférer les données de capteurs à large bande vers les processeurs centralisés pour le calcul. Par exemple, le processeur principal intégré du F-35 regroupe les données de plusieurs capteurs ISR pour que les données agrégées soient traitées. Cela permet aux pilotes d’avoir une meilleure connaissance de la situation. Le moteur de cette tendance est l’évolution de la technologie des émetteurs-récepteurs série haute vitesse (également appelée émetteurs-récepteurs multigigabits ou MGT). Cette technologie a progressé rapidement ces dernières années. Les vitesses atteignent aujourd’hui 32 Go/s par voie, et atteindront 56 Go/s avec la modulation PAM4 qui se profile à l’horizon. Les FPGA sont principalement considérés comme des ressources de traitement, mais ils incluent également quelques-uns des MGT les plus sophistiqués, ce qui en fait des cibles idéales pour le développement de capteurs.

^{Figure 4 : Agrégation de données provenant de plusieurs capteurs ISR pour leur traitement centralisé à l’aide de bus de données haute vitesse}

L’instrumentation modulaire offre l’avantage de faciliter l’évolution des systèmes pour répondre à l’augmentation rapide de la puissance de traitement et de la bande passante. La plate-forme PXI est particulièrement adaptée pour les systèmes nécessitant du streaming de données à large bande passante, ainsi que du cadencement et de la synchronisation intégrés.

En raison de l’évolution rapide de ces technologies sous-jacentes, les techniques et architectures radar gagnent à la fois en complexité et en capacités. À mesure que les avancées technologiques se poursuivent, les systèmes doivent évoluer pour suivre ce rythme. Lorsque vous disposez des ressources humaines et de connaissances approfondies pour mener à bien vos conceptions en interne, il peut sembler que développer du matériel et des logiciels totalement personnalisés pour les prototypes radar et les systèmes de test est la seule option viable permettant d’atteindre les performances et le degré de personnalisation requis. Cependant, ces solutions s’accompagnent aussi d’une responsabilité de maintenance à long terme et d’un coût d’opportunité.

Avec l’avènement des FPGA et l’adoption rapide des nouveaux convertisseurs et technologies de streaming en facteur de forme modulaire, les solutions commerciales sur étagère répondent non seulement aux exigences des spécifications, mais offrent également la flexibilité permettant aux systèmes d’atteindre la longévité requise par les cycles de vie plus longs. En intégrant rapidement ces technologies dans des facteurs de forme modulaires et commerciaux, NI permet aux ingénieurs de répondre aux exigences en évolution des systèmes radar de pointe, tout en respectant les délais et les budgets serrés.