"Space Fence" radarı, GaN ve dizi düzeyinde DBF teknolojisinin uygulanması
"Uzay Çiti", ABD uzay gözetim ağının yeteneklerini büyük ölçüde artıran, çok sayıda S-bantlı radardan oluşan yer tabanlı bir sistemdir.
"Uzay çiti" yüksek hassasiyet, kapsama ve izleme doğruluğu sağlayabilir ve düşük, orta ve jeosenkron yörüngelerdeki küçük hedefleri tespit etme, izleme ve kaydetme yeteneğine sahip olup, önemli uzay görevlerinin tamamlanmasına yardımcı olur. "Uzay Çiti" nin dünyanın yörüngesindeki binlerce uyduyu ve enkazı algılama, izleme ve kaydetme yeteneği, uzay durumsal farkındalık teknolojisinde devrim yaratacak.
"Uzay Çiti", Şekil 2'de gösterildiği gibi, az miktarda manuel işlem gerektiren iki radar alanına sahiptir. Bu radar siteleri, düşük yörüngeli hedeflerin tespit edilmesini ve ardından Alabama, Huntsville'deki operasyon merkezi aracılığıyla toplanmasını sağlayabilir.
Şekil 2 "Uzay Çiti", biri ekvator yakınındaki Kwajalein Atolü'nde ve diğeri Batı Avustralya'da bulunan iki radardan oluşur.
Kwajalein Atoll'daki ilk radar, alçak yörüngeleri kaplayabilen binlerce radar ışınının sürekli gözetim "çitini" sağlayacak. Dünya dönerken, bu "çit" dünyayı çevreleyen alanı tarayabilir, böylece uyduların ve yörünge kalıntılarının algılanmasını sağlar.
Yüksek kaliteli yörünge tahmini elde etmek için radar, hedefi uzun süre izlemek için özel bir ışın kullanır. "Uzay Çiti", görev gereksinimlerine göre orta yörünge ve yer eşzamanlı yörünge gibi daha yüksek yörüngelerdeki hedefleri de arayabilir. İkinci radar istasyonu, birinci istasyonun düşük yörünge kapsamını tamamlayacak ve orta yörüngede ve yer-eşzamanlı yörüngede görevleri tamamlayabilir.
Şekil 3a'da gösterildiği gibi, her bir radar sahası, birbirine çok yakın olan ayrı ayrı gönderme ve alma aşamalı dizili antenler, güç kaynakları ve soğutma sistemlerinden oluşur. Gönderen dizi 36000 birim içerir ve alıcı dizi 86000 birim içerir. Her iki anten kaportası malzemesi de düşük kayıplı Kevlar sentetik elyaftır.
Her iki dizi de kamu hizmeti binası tarafından çalıştırılır ve soğutulur ve veri işleme ve kontrol, iş binasında kullanıma hazır ticari işleme ekipmanı tarafından gerçekleştirilir. Hem verici hem de alıcı antenler, kalibrasyon kulesi üzerindeki huni anten aracılığıyla test sinyalleri iletilerek veya alınarak kalibre edilir.
Kullanım ömrü boyunca kullanılabilirliği artırmak ve bakım maliyetlerini azaltmak için bu iki ultra büyük aşamalı dizi optimize edilmiştir. Küçük hedefleri tespit etmek için, iletim kanalı, benzeri görülmemiş hassasiyete ulaşmak için bir galyum nitrür yüksek güçlü amplifikatör kullanır. Alıcı dizi, aynı anda herhangi bir yönde binlerce ışını gerçekleştirebilen dizi elemanı düzeyinde dijital ışın oluşturmayı (DBF) kullanır.
Şekil 3 (a) "Uzay Çiti" radar alanı (b) İletici dizi kesiti (c) Radar iletimi doğrusal değiştirilebilir birim (LRU) kesiti
Bu, sistemin diğer yörüngelerdeki yüzlerce hedefi takip etmesini veya düşük yörüngeli gözetim menzilinin kapsamını sağlarken kullanıcı tarafından belirlenen gözetleme alanını kapsamasını sağlar. Verici ve alıcı diziler dikey olarak yukarı bakar ve dış binaya entegre edilir (Şekil 3b'deki enine kesit görünümde gösterildiği gibi).
Radar elektroniği, sıvı soğuk plakalı genişletilebilir bir üniteye monte edilir, fayans radyatörü soğuk plakanın yüzeyine yerleştirilir ve dijital gönderme ve alma doğrusal değiştirilebilir ünite (LRU) yan taraftadır. Her bir LRU, 8 radyasyon birimi için bir dijital dalga formu üreteci, yukarı dönüştürme ve yüksek güçlü galyum nitrür amplifikatörünü entegre eder.
Galyum Nitrür (GaN)
LRU'nun soğuk plakanın yan tarafındaki konumu, GaN yüksek güçlü amplifikatörün etkili ve doğrudan bir ısı yayma kanalına sahip olmasını sağlar. Sistemin etkin kullanımını iyileştirmek için LRU, 1,5 dakika içinde sökülebilen ve değiştirilebilen ve kesintiler için telafi edilebilen dizinin altına yerleştirilmiştir.
Galyum nitrür yüksek güçlü amplifikatör, "Uzay Çiti" nin anahtar teknolojisidir. Diğer teknolojilerle karşılaştırıldığında, belirtilen boyut ve hassasiyet gereksinimleri altında, yüksek çıktılı GaN, iletim birimlerinin sayısını azaltarak toplam üretim maliyetini düşürür.
GaN'in yüksek verimliliği ayrıca sistem güç tüketimini ve ısı üretimini azaltarak işletme maliyetlerini düşürür. Alçak yörüngeyi etkili bir şekilde kapatmak ve yer-eşzamanlı yörüngeyi hedeflemek ve tespitten sonra yeterli enerjiyi geri döndürmek için, fırlatma darbe genişliğini uzatmak gerekir. GaAs ve Si BJT gibi önceki teknolojiler, gerekli çıkış gücünde bu kadar büyük bir darbe genişliği elde edemez.
Dizi düzeyinde DBF
Alıcı dizideki eleman seviyesi DBF teknolojisi ile birleştirildiğinde, verici dizideki galyum nitrürün büyük darbe genişliği özellikleri, radarın etkili kullanım süresini büyük ölçüde iyileştirir. "Uzay Çiti" alıcı dizisindeki her birim bir alıcıya bağlanır Bu alıcı, alınan sinyali sayısallaştırır.Bu, alt dizi düzeyindeki DBF teknolojisinden farklıdır. Alt dizi düzeyindeki DBF sistemi, alıcıların sayısını azaltır. Numara, bir kanalı sentezledikten sonra çoklu ünitelerin mikrodalga sinyallerini sayısallaştırmaktır.
Dizi elemanı seviyesindeki DBF sisteminde, ışın, dizinin dikkatinin herhangi bir konumunda oluşturulabilir ve alt dizi seviyesindeki DBF yöntemi, bir radar olayını kapsayacak şekilde analog faz kaydırıcıyı değiştirmesi gerektiğinden, dijital ışın oluşumunun hava sahasını sınırlar. Hava sahası bir sonrakine geçer (Şekil 4a).
"Uzay Çiti" esnekliğini ve frekansı yeniden kullanma işlevini, alıcı frekans bandında aynı anda binlerce ışını oluşturmak için kullanır (Şekil 4b), bu, aksi takdirde sırayla uygulanacak işlevlerin aynı anda uygulanmasını sağlayarak dizi boyutunu azaltır. , İlgili üretim maliyetleri ve çalışma maliyetleri. Sürekli, mekanik tabanca benzeri bir iletim sinyali dizisi elde etmek için, diğer sinyallerden daha uzun bir iletim süresine ve daha büyük bir görev döngüsüne sahip bir galyum nitrür yüksek güçlü amplifikatörün kullanılması gerekir (Şekil 4c).
Şekil 4 (a) Birim düzeyinde DBF sisteminde, ışın, dizinin dikkatinin herhangi bir konumunda oluşturulabilir ve alt dizi düzeyinde DBF yöntemi, dijital ışın oluşumunun uzamsal alanını sınırlar (b) frekans çoğullama işlevi, alıcı bantta olabilir Aynı anda, birçok işlevi aynı anda gerçekleştirebilen binlerce ışın oluşur. (C) Galyum nitrür teknolojisi, uzun bir iletim süresine ve büyük bir görev döngüsüne sahip, mekanik bir tabanca benzeri iletim sinyal dizisi elde edebilen tek teknolojidir. .
Geliştirmeye Genel Bakış
2007 yılında, "Uzay Çiti" konseptinin geliştirilmesinin başlangıcında, Lockheed Martin bağımsız bir araştırma ve geliştirme projesi yürütmek için borç aldı, bu proje radar alanında galyum nitrürü tamamen geliştirmeyi amaçlıyor. "Uzay Çiti" nin geliştirilmesi sırasında, galyum nitrürün optimize edilmiş kullanımı sistem verimliliğini artırdı ve işletim maliyetlerini düşürdü.
Lockheed Martin, açık üretim konseptine dayalı GaN teknolojisini geliştirmek için iki tedarikçiyle işbirliği yaptı.Bu tedarikçilerin ikisi de GaN modülünü "Space Fence" lansmanında LRU'da başarıyla geliştirdi ve test etti. Birden fazla tedarikçinin kullanılması proje risklerini azaltır ve rekabet mekanizmaları aracılığıyla üretim maliyetlerini düşürebilir.
"Uzay çiti" dizisinin büyük ölçeği ve gerekli olan çok sayıda galyum nitrür cihazı nedeniyle, bakım maliyetlerini azaltmak için yüksek güvenilirlik elde edilmelidir. Lockheed Martin, teknolojik olgunluğu sağlamak için modül seviyesinde, verici LRU seviyesinde ve dizi seviyesinde "Uzay Çiti" galyum nitrür amplifikatörleri üzerinde testler gerçekleştirdi.
Uzun yıllar süren yeterli testlerden sonra (hızlandırılmış ömür testi dahil 5000 saatten fazla ömür testi), teknolojinin yüksek güvenilirliğe sahip olduğu ve "Uzay Çiti" programının uygulanması için sağlam bir temel oluşturduğu kabul edilir.
Şekil 5 "Uzay çiti" ilke prototipi: (a) anten montajı (b) görev operasyon merkezi (c) anahtar tasarım senaryosu gösterimi
Lockheed Martin, 2011 yılından bu yana kademeli olarak küçültülmüş bir dizide galyum nitrür ve hücre düzeyinde DBF teknolojisini kullanan uçtan uca bir sistem ilkesi prototipi geliştirdi. ABD Hava Kuvvetleri, 2015 teknoloji olgunluk değerlendirmesinde prototip sistemin verilerini kullandı ve sonuçlar, teknoloji olgunluk seviyesinin ve üretim olgunluk seviyesinin 7. seviyeye ulaştığını gösterdi.
Ocak 2016'da, son donanım ürünleri, New Jersey, Moreston'daki entegre test üssünde donanım / yazılım entegrasyonu / bakım eğitimi ve doğrulama deneyleri gerçekleştirildi.Test üssü, Kwajalein Atoll'daki 1 numaralı radar sahasında bir test gerçekleştirecek. Entegrasyon, uzaktan destek sağlar.
