Rekonfigurierbares RF-Design für Airborne Mission Systems: High-Bandwidth Channelisierung & Integration

Fortschritte in Mikroelektronik und Breitband-Bauelementtechnologie treiben die Digitalisierung voran. RF-Integration erreicht ein neues Level: größere Bandbreite, sinkende Größe, Gewicht und Kosten. Revolutionäre Änderungen in Hardware-Konfiguration und integrierter Struktur machen Hardware-Generalisierung zum unvermeidlichen Trend. Durch Integration und Miniaturisierung von Airborne Mission Systems können Antennen aller Systeme frequenzband- und funktionsbasiert zusammengefasst oder rekonstruiert werden. Antenne, Analogschaltung, Steuerschaltung, Digitalschaltung und Vernetzungsinfrastruktur werden ganzheitlich verarbeitet – es entsteht ein RF-Transceiversystem mit breitem Frequenzspektrum, Mehrkanalfähigkeit und Selbstadaptivität. Ziel: Kosten, Gewicht, Volumen reduzieren bei steigender Praktikabilität und Zuverlässigkeit. Experimente belegen: MTBCF (Mean Time Between Critical Failures) integrierter Systeme lässt sich durch Commonality, Modularisierung, Ressourcenteilung, Testbarkeit und Rekonfiguration verdoppeln.

Design-Analyse integrierter RF-Systeme

Aufgrund begrenzter Einbauraum-, Gewichts-, Platz- und Energiebudgets nutzen Airborne Mission Systems Integrationsdesign, um gleichartige Funktionen zu bündeln und Ressourcen zu teilen. Dabei werden Systemfunktionsanforderungen bei gleichzeitig leichtem Gewicht, Miniaturisierung und geringem Stromverbrauch erfüllt – passend für Flugzeugintegration.

• Systemlimitation: Antennen aller Sensoren/Transceiver dominieren Systemgewicht, Einbauraum und Stromverbrauch (Signalemission/-wahrnehmung). Integriertes RF-Design ist zwingend.
• Systemfähigkeit: Schnelles Feedback nach militärischen Erfordernissen verlangt hohe funktionale Flexibilität – neue Funktionen in kurzer Zeit, niedrigen Kosten nachrüstbar für schnelles System-Upgrade und Funktionserweiterung.
• Ausstattungverbesserung: Integriertes Design, digitale Erfassung, Informationsaustausch sind effektiv.
• Plattformflexibilität: Integriertes RF-Design reduziert Gewicht und Energiebedarf, verbessert Einbauanpassung des Luftfahrzeugs. Löst Probleme: Blockierung, EMI, wachsende Reflexionsfläche durch Antennenvermehrung.

Attribute integrierter RF-Systeme

Für begrenzte Plattformressourcen und militärische Einsatzanforderungen wird eine offene Architektur mit Basis-Modulen angewendet. Integriertes RF-Design vereint Radar-Detektion, passive Detektion, Kommunikation/Datenkette und IFF (Identification Friend or Foe) zu einem integrierten Elektronikgerät mit Multispektrum, Multimodalität und Selbstadaptivität.

Attribute:

• Offene RF-Architektur
• Vollständige Digitalisierung, Modularisierung, Generalisierung, Standardisierung
• Robustheit und Fehlertoleranz
• Fähigkeit zur Sekundärentwicklung
• Hohe Zuverlässigkeit, Supportfähigkeit, Erweitbarkeit, geringes Gewicht, niedrige Kosten

Elemente im integrierten RF-Design

Design-Elemente der Funkempfangs-Integration

Funkempfangs-Integration: Verschiedene Missionssysteme teilen sich einen RF-Eingangskanal und realisieren eigenständig ihre Empfangsfunktion. Empfangskanal muss RF-Signale der Empfangsantenne verstärken, filtern, frequenzkonvertieren, digitalisieren, vortverarbeiten und an den integrierten Kernprozessor ausgeben. Ein Signal kann mehrere parallel arbeitende Empfangskanäle erfordern mit Anforderungen: Netzwerk-Handover, Low-Noise-Verstärkung, Kanalverstärkung, AGC, Dynamikbereich, Kanalbandbreite, Kanalbalance.

Zu berücksichtigende Elemente:

• Betriebsfrequenz
• Momentane Bandbreite des Empfangskanals
• Momentane Dynamik der Empfangssignale
• Empfindlichkeit der Empfangssignale
• Ausgangsbandbreite > Gesamtbandbreite bei gemeinsamem Kanal aller Missionen

Design-Elemente der RF-Emissions-Integration

RF-Emissions-Integration: Verschiedene Missionssysteme teilen RF-Ausgangskanal für eigene Sende-Funktionen. Emissionskanäle liefern Signalwaveform, Modulation, Frequenzkonvertierung, Treiberverstärkung, Leistungsausgang an Antennen. Schlüsselperformance: Signalwaveform, Signalstabilität, Kanalverstärkung, Dynamikbereich, Ausgangsleistung, Spektralreinheit.

Zu berücksichtigende Elemente:

• Betriebsfrequenz
• Momentane Bandbreite des Emissionskanals
• SFDR (Spurious Free Dynamic Range) der Aussendung
• Frequenz der ausgesendeten Signale
• Ausgangssignal-Waveform

Im Gegensatz zum gleichzeitigen Empfang bestehen bei simultaner Aussendung Herausforderungen – besonders bei Bandbreite/Waveform. Kernproblem: Multi-Source-Co-Emission stellt extreme Linearitätsanforderungen an den Leistungsverstärker.

Design-Methoden integrierter RF-Systeme

Design-Methode der Antennenapertur-Integration

Integrierte Antenne oder Antennenarray ist physischer Schlüsselkomponente des Airborne Mission Systems – wandelt räumliche RF-Energie in hochfrequente elektrische RF-Energie um. Nach Anforderungen in Luftraum-, Frequenz-, Zeit- und Modulationsdomäne sowie Funktionseigenschaften (Betriebsmodus, Frequenzbereich, Abdeckungsbereich, Betriebsdauer, Modulation, Polarisation, Airborne-Adaptivität) sollten alle Antennen integriert und State-of-the-Art-Technologien genutzt werden: Ultrabreitband, Konformal, Miniaturisierung, Common Aperture, Rekonfiguration. Optimalziel: Index, Volumen, Gewicht, Kosten. Alle Antennen erhalten integriertes Design mit funktions-/frequenzoptimierter Freigabe zur finalen Antennenapertur-Integration.

• Integrierter Typ-Design: Berücksichtigung Betriebsfrequenz, Abdeckungsbereich, Polarisation → Hochbandbreiten-, Hochwirkungsgrad-, Hochgewinn-Antennen. Einheitliches Design, vereinfachte Antennenklassifikation.
• Integrierter Apertur-Design: Bei erfüllten Antennenkennwerten Common-Apertur-Design soweit möglich. Optimierung Kosten/Volumen/Gewicht. Basierend auf Betriebsfrequenz, Einbauposition, Platz/Abdeckung, Diskussionen → Antennen mit ähnlicher Position gemeinsame Apertur → Mehrere Antennen/Arrays an einer Apertur → Platzersparnis, höhere Aperturausnutzung.
• Antennen-Sharing-Design: Bei ähnlichen Indexanforderungen (Frequenz, Polarisation, Gewinn, Abdeckungsraum) → Sharing via Schaltumschaltung, Signal-Kombinierer/-Teiler, Zeitmultiplex → Minimierung der Antennenanzahl.

RF-Frontend-Integrationsdesign

Basierend auf Hochleistungs-Breitband-Bauelementtechnik, Mikrosystemtechnik, MEMS und Verteilter Technologie wird ein integriertes RF-Standardsystem durch Generalisierung, Digitalisierung, Modularisierung etabliert. Allgemeiner RF-Transceiver-Kanal und Hardware-Plattform ermöglichen: Vollspektrum-Kompatibilität, Rekonfigurierbarkeit, Digitalisierung, Mikrosystematisierung.

Entsprechend allgemeiner Entwicklungsanforderungen, Strukturdefinition und Integrationsprinzipien umfasst RF-Frontend-Integration:

• RF-Kanalisierung: Diskrete, dedizierte Subsysteme aufbrechen → Alle RF-Systeme kanalbasiert designen → RF-Transceiver-Kanal vollspektrumkompatibel, allgemein integriert.
• Ressourcen-Modularisierung: Alle Hardwareressourcen über Planrahmen, Backplane, Standard-kompatible Module → Einheitliche Montage, Stromversorgung, Thermik.
• Modul-Generalisierung: RF-Frontend-Public-Resource-Module generalisieren: Netzteilmodul, Empfangsmodul, Schaltmodul; schrittweise Generalisierung multifunktionaler Vorverarbeitungsmodule. Reduziert Ressourcenklassifikation; Basis für Funktions-Backup und Rekonstruktion.
• Schnittstellen-Standardisierung: Standardbus im RF-Frontend; Sensornetzwerk über einheitliches General-Interface-Modul. Reduziert Bustypen/-anzahl, erleichtert System-Vernetzung.
• Ressourcenmanagement-Vereinheitlichung: General-Interface-Modul am RF-Frontend empfängt/analysiert Ressourcenverwaltungsanforderungen vom Kernprozessor einheitlich, leitet an Vorverarbeitungs-/andere Module weiter → Einheitliches RF-Frontend-Management.

Modularisierungs-Design-Methoden

Sensor-Sektion des Airborne Mission Systems (Analogschaltung RF-Frontend, Digitalschaltung RF-Backend) nutzt offene Systemstruktur mit standardisierten Hardwaremodulen weniger Typen, unterschiedlicher Funktion: RF-Frontend-Modul, General-Empfangsmodul, Vorverarbeitungsmodul, Signalverarbeitungsmodul, Mehrfrequenz-Emissionsmodul, Multifunktions-Modulatormodul, Antenneninterface-Unit, Matrix-Schaltarray. Module dynamisch kombinierbar nach RF-Funktionsanforderungen der Sensoren. Design/Fertigung nach strengen, einheitlichen Strukturstandards; Installation auf Standard-Einbauerahmen.

Antenneninterface-Unit: RF-Umschalter; leitet empfangene RF-Signale an RF-Frontend-Modul. Mit Mehrfrequenz-Emissionsmodul verbunden; leitet sendebereite RF-Signale an Antennen. Löst Konflikte bei gemeinsam genutzter Antenne (Tx/Rx).

RF-Frontend-Empfangsmodul: Wandelt RF in Standard-ZF (IF). ZF-Schalter leitet ZF-Signale vom Empfangsmodul an General-Empfangsmodul; ZF-Modulationssignale vom Multifunktions-Modulator an Emissionsmodul. Löst Konflikte bei geteiltem General-Empfangsmodul / Multifunktions-Modulator.

General-Empfangsmodul: Bandpassfilter, A/D-Wandlung, DDC (Digital Down Conversion). Ausgabe an Signal-Vorverarbeiter.

Signal-Vorverarbeiter: Matched Filtering nach Digitalisierung; Basisband-Phasentransformation, Pulsdetektion, digitales Despreading. Teilarbeit des Signalprozessors. Vorgeverarbeitete Digitalsignale an Signalverarbeitungsmodul. Tx-Seite: Digitales Spread Spectrum, Pulsformung → Multifunktions-Modulator.

Signalverarbeitungsmodul: Zentrale Signalverarbeitung aller Sensorfunktionen: Demodulation, Kanal-Selbstadaptiv-Balance, Kanalcodierung/Decodierung (Fehlerkorrektur), Verschlüsselung/Entschlüsselung.

Kanalisierungs-Design-Methoden

Mehrere Kanäle arbeiten parallel oder unabhängig im integrierten RF-Frontend bei Verarbeitung bestimmter Signalwaveforms. Alle Hardwareressourcen können im digitalen Konvertierungsnetzwerk zu einem Hardware-Thread für Signalwaveform-Verarbeitung kombiniert werden. Integriertes RF-Frontend unterstützt multiple Hardware-Threads – uniform oder unabhängig nach Antennen-Scan-Strategie oder Signalverarbeitungsprozedur. System verarbeitet multiple Signale, realisiert multiple Funktionen nach Informationsverarbeitungsbedarf. Redundante Kanäle in RF-, Abstimm-, ZF-Bereich → gegenseitige Backup-Erhöhung der Zuverlässigkeit. Bei Kanaldefekten: Bildung paralleler oder Time-Sharing-Threads nach Betriebsmodus und Signalpriorität.

Abbildung 1 zeigt zahlreiche parallele Kanäle für multiple Signale im RF-Frontend – schaltbar oder parallel per Systemsteuerung. Abstimm-Empfangskanal extrahiert reine Signale → Frequenzkonversion → ZF. Signale sinnvoll aufgeteilt auf gemeinsame ZF-Kanäle (Frequenz-/Zeitmultiplex) → Verarbeitung im Multifunktions-Digitalempfänger nach Auswahl/Kombination durch Schaltarray. System nutzt integrierten Frequenzintegrator: Breitband, Mehrpunkt-Frequenz, schnelle Agilität, Kombinationsausgang.

Mikrosystematisierungs-Design-Methoden

Mikrosysteme integrieren Sensoren, Ausleseschaltungen, DSP, AD/DA, Transceiver-Bauelemente, Stromversorgung im Mikrometerbereich → drastische Volumen- und Leistungsreduktion von System und Konfiguration. RF-Transceiver-Kanal-Mikrosystem, Bauelemente, Komponenten mit 3S-Technologie (SiP, SoC, SoP) → Schlüsselentwicklung für Breitband.

Schlüsseltechnologien

Integrierte System-Design-Technologie

Zentrale Rolle für Missionssystem-Integration, optimale Nutzung elektronischer Geräteeffizienz, Sicherstellung integrierter militärischer Fähigkeiten. Systemperspektive: Integration von Komposition, Struktur, Funktionen, Vernetzungsmethoden → Optimierung Missionssystem-Integrationsdesign. Konform zu Militärmissionen/-anforderungen: Definition, Analyse, Design, Test, Evaluation des Gesamtsystems → Kompatibilität zu Funktionen, Performance, Zuverlässigkeit, Wartbarkeit, Supportfähigkeit, Lebenszykluskosten. Systemdesigner partizipieren an Planung/Forschung gemäß industriekonformen, langfristigen, fundamentalen Projekten.

Offene Systemarchitektur-Design-Technologie

Offene Architektur fördert verteilte Systeme, erleichtert Interkonnektion/Interoperation heterogener Hardware (verschiedene Hersteller, Typen), Computern. Hardware/Software-Transplantation, Funktionserweiterung vereinfacht. Unterstützt volatile Systemskalierung. Verkürzt F&E-Zeitraum.

Schlüssel: Standardisierte Schnittstellenfertigung und Konformität → gleiche Standards/Regeln für verschiedene Entwicklungs-/Fertigungseinheiten. Nicht nur Hardware, auch Software: Open System, Wiederverwendbarkeit, volatile Skalierung. Wichtige Maßnahme zur Reduktion Lebenszykluskosten und Entwicklungszeit. Neue Missionssystem-Softwareversion muss einheitlichen Standards folgen; Eigenschaften: Wiederverwendbarkeit, Standardisierung, Intellektualisierung, Portierbarkeit, Zuverlässigkeit als charakteristische Softwaretechnologie-Parameter.

Antennenapertur-Integritäts-Design-Technologie

Antenne/Antennenarray als essenzieller Teil: Emission/Empfang zahlreicher Funksignale. Viele Systemkomponenten → hohe Anforderungen an Antennentypen/-anzahl; unterschiedliche Anforderungen: Frequenzbereich, Polarisation, Gewinn, Abdeckungsluftraum. Begrenzter Plattformraum/Installationspositionen → raues Antennenlayout → strikte Forderung Antennenzahlreduktion.

Lösung: Antennenintegritätsdesign nach Erfüllung funktionaler Antennenanforderungen. Alle Antennen integrieren/teilen → Frontend geteilter Sensoren → integrierte Antennenapertur. Optimiertes Antennenlayout im System für EMC zwischen Funktionen → Minimierung gegenseitiger Beeinträchtigung und Performanceeinbußen.

CIP-Technologie (Common Integrated Processor)

CIP mit hoher Systemintegrationsstufe vereint multiple fortschrittliche Technologien. Erledigt: Integrierte Verarbeitung, Data Fusion, Missionscomputing, Video-Infogenerierung, Navigationscomputing, Speichermanagement, Elektronisches Backup, Verteidigungsmanagement, Kommunikationsmanagement, Systemsteuerung, Fehlermonitoring, Inspektion, Rekonstruktion Sensor-Eingangsdaten. CIP verkörpert signifikante Merkmale neuer Missionssysteme: Gemeinsame Module, Parallelverarbeitung, verteiltes Echtzeit-Betriebssystem, Shared-Core-Ressourcenverarbeitung, Performance-/Zuverlässigkeitssteigerung für Airborne-Verarbeitungsfähigkeit und schnelle Computing-Entwicklung.

Breitband-konfigurierbarer RF-Kanal-Digitalisierungstechnologie

Airborne Mission Systems decken breiten Frequenzbereich, diverse Modulationsarten/Formate, große Signalpegelunterschiede ab. Traditionelle Hardware-Density-Communication-Systeme: komplexe Vernetzung, hohe Kosten, schwieriges Upgrade, harte Systeminterkonnektion. Lösung: Software Radio + RF-Sampling-Technologie → Digitalisierung vorantreiben, RF-Frontend-Verarbeitungskanäle reduzieren, Funktionswiederverwendung digitaler Signalverarbeitung im Backend erhöhen → Integration multipler Funktionen, breitem Frequenzbereich, multipler Modulation. Modulare Hard-/Software erleichtert Systemdesign, Technologieeinführung → Performanceverbesserung, Kosten-/Zeitreduktion.

Weiterführende Ressourcen

• Rückschläge und Lösungen im RF-PCB-Design
• Flyback-Powermodul-Schaltungsdesign für RFID-Reader
• Richtlinien für RF- und Mikrowellen-PCB-Design
• Full-Feature PCB-Fertigungsservice von PCBCart – Mehrwertoptionen
• Advanced PCB Assembly Service von PCBCart – ab 1 Stück