Utilizar módulos RF integrados para mejorar el rendimiento y reducir el SWaP en radares AESA de banda X

Las amenazas aerotransportadas han evolucionado rápidamente en los últimos años. Los drones, misiles de bajo costo y sistemas similares son lo suficientemente pequeños y económicos como para implementarse en grandes cantidades, lo que aumenta la demanda de plataformas de detección con mayor alcance, mejor discriminación de objetivos y reducción de tamaño, peso y potencia (SWaP).

El radar de matriz activa de barrido electrónico en banda X (AESA) es fundamental para cumplir estos requisitos. Al operar a 8 a 12 gigahercios (GHz), las longitudes de onda cortas de la banda X son ideales para resolver objetivos pequeños desde una apertura compacta. Esta combinación funciona bien con la dirección electrónica de haz, que puede rastrear muchos objetivos sin depender de piezas móviles.

La cuestión es que las arquitecturas AESA estrechamente integradas deben adaptarse al circuito transmisor/receptor para cada elemento o grupo de elementos dentro de un espacio limitado de la matriz, por lo que la compacidad importa más que nunca. Además, los diseñadores siguen enfrentándose a compromisos tradicionales, como la potencia frente a la sensibilidad.

Para satisfacer estas demandas, los diseñadores necesitan componentes sofisticados de radiofrecuencia (RF) basados en tecnologías utilizadas en las soluciones de radar en banda X de Qorvo (Figura 1). Estos productos forman parte de la amplia cartera de tecnologías de defensa y aeroespacial de Qorvo, que también incluye radares en banda S, guerra electrónica y otras aplicaciones de RF y microondas.

Figura 1: El radar de banda X requiere soluciones RF sofisticadas basadas en tecnologías modernas, algunas de las cuales se muestran aquí en azul. (Fuente de la imagen: Qorvo)

Front-ends integrados para radar en banda X

Los módulos front-end (FEM) Qorvo integran múltiples funciones RF en paquetes compactos. En el módulo QPF5012, el amplificador de potencia (PA) y el conmutador transmisor/recepción (T/R) utilizan nitruro de galio sobre carburo de silicio (GaN-en-SiC), mientras que el limitador y el amplificador de bajo ruido (LNA) emplean arseniuro de galio (GaAs), optimizando la tecnología para cada bloque funcional. Empaquetar los chips juntos también reduce el número de componentes discretos, mejorando SWaP y simplificando la disposición y la adaptación de RF.

El QPF5012 viene en un paquete QFN, mide 7 × 5 milímetros (mm) y suministra 10 vatios de potencia de transmisión saturada entre 8.5 y 10.5 GHz. El módulo proporciona un rendimiento consistente bajo condiciones de carga variables, lo que lo hace adecuado para sistemas de matriz en fases.

Históricamente, la selección FEM ha implicado compensaciones entre potencia de salida, potencia prima y sensibilidad. El QPF5012 aborda este equilibrio combinando una eficiencia típica de potencia añadida (PAE) del 40% a una potencia de entrada de 20 decibelios referenciada a 1 milivatio (dBm) bajo funcionamiento pulsado (Figura 2), con una figura de ruido de recepción de 2.1 decibelios (dB) y 23 dB de ganancia de recepción. La baja figura de ruido permite la sensibilidad de recepción, mientras que la alta PAE ayuda a reducir el consumo de energía principal y la carga térmica.

Figura 2: El QPF5012 mantiene un alto PAE en su rango de funcionamiento de 8.5 a 10.5 GHz bajo las condiciones de temperatura especificadas. (Fuente de la imagen: Qorvo)

La conversión de frecuencias en banda X tiene sus propios retos

La transición de RF a frecuencia intermedia (FI) es otra fuente común de desafíos de diseño. En tarjetas densas típicas de los radares modernos de banda X, la fuga de osciladores locales (LO) puede producir respuestas no deseadas, y un rechazo insuficiente de la imagen puede permitir que una señal de frecuencia de imagen aparezca en el mismo FI que la señal deseada.

Los mezcladores doblemente balanceados (DBM) y los mezcladores en fase/cuadratura (I/Q) de Qorvo abordan este problema proporcionando un fuerte aislamiento de LO a RF y baja pérdida de conversión. Esta cartera soporta tanto enfoques de rechazo de imagen como de banda lateral única, manteniendo el enrutamiento y filtrado alrededor simples. 

El CMD183C4 es un buen ejemplo. Este mezclador I/Q de 7.5 a 13 GHz puede configurarse como mezclador de rechazo de imagen o como convertidor ascendente de banda lateral única. Integra dos celdas mezcladoras doblemente balanceadas y un híbrido de 90°, mientras que se requiere un híbrido IF externo para completar la función de rechazo de imagen. Al ofrecerse en un compacto paquete de montaje superficial de 3.9 × 3.9 mm y 24 conductores, este circuito integrado monolítico de microondas (MMIC) ofrece una alternativa más pequeña a los conjuntos híbridos tradicionalmente usados para estas funciones.

Las características clave del CMD183C4 incluyen baja pérdida de conversión, alto aislamiento y rechazo de imagen de 20 dB o superior a través de la banda X, con una variación mínima en la temperatura (Figura 3). Estas características permiten una conversión limpia de frecuencias mientras preservan la información necesaria para la discriminación de objetivos.

Figura 3: El CMD183C4 proporciona un rechazo de imagen de 20 dB o superior a través de la banda X, con una variación mínima en la temperatura. (Fuente de la imagen: Qorvo)

Placas de evaluación para diseños de radares de banda X de próxima generación

Si busca aprovechar la última tecnología X-band, puede analizar las posibilidades con la amplia gama de tablas de evaluación de Qorvo. Un ejemplo típico es el CMD183C4-EVB (Figura 4). Esta placa coloca el CMD183C4 en una placa de circuito impreso (placa CI) con cuatro conectores subminiatura versión A (SMA) y vías para conectar los planos superior e inferior a tierra.

Figura 4: El CMD183C4-EVB integra el CMD183C4 con cuatro conectores SMA de lanzamiento final en una sola placa. (Fuente de la imagen: Qorvo)

El uso de conectores SMA de lanzamiento al extremo demuestra una atención especial al detalle. A diferencia de los conectores tradicionales de placa de PC en ángulo recto que obligan las señales a girar 90°, los tipos de lanzamiento final se alinean directamente con la traza de la placa para ayudar a minimizar las reflexiones.

Conclusión

Las amenazas aéreas que evolucionan rápidamente están impulsando la demanda de sistemas de radar en banda X capaces que puedan desarrollarse e implementarse de forma eficiente. La amplia cartera de soluciones de defensa y aeroespacial de Qorvo puede ayudar a los diseñadores a cumplir estos requisitos mejorando el rendimiento y el SWaP, simplificando la integración de RF.