Анализ электронной компонентной базы, используемой при построении цифровых антенных решеток

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП), Санкт-Петербург, Российская Федерация

Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (ВУНЦ ВВС «ВВА»), Воронеж, Российская Федерация

Анализ электронной компонентной базы, используемой при построении цифровых антенных решеток

Н.В. Поваренкин, А.С. Артюх, Н.К. Третьяков

Аннотация

цифровой антенна коммутационный подрешетка

Рассмотрены варианты построения передающих модулей и коналообразующих модулей, входящих в состав передающей и приемной подрешеток цифровой антенной системы. Приведен анализ электронной компонентной базы, используемой в модулях. Рассмотрены схемотехнические вопросы, связанные с устранением коммутационных выбросов в питающей части модулей подрешеток.

Ключевые слова: цифровая антенная решетка, передающий модуль, каналообразующий модуль, электронная компонентная база, коммутационные выбросы.

Abstract

Analysis of electronic component base used in constructing digital antenna arrays

N. V. Povarenkin1, A. S. Artyukh2, N.K. Tretyakov1

1State University of aerospace instrumentation, St. Petersburg, Russian Federation

2Military educational scientific center air force «air force Academy named after professor N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin», Voronezh, Russian Federation

The options for building transmitting modules and conal-forming modules that make up the transmitting and receiving sublattices of a digital antenna system are considered. The analysis of the electronic component base used in the modules. Circuit engineering issues related to the elimination of switching emissions in the supply part of the sublattice modules are considered.

Keywords: digital antenna array, transmitting module, channel-forming module, electronic component base, switching emissions.

Введение

В настоящее время в области науки и техники, связанной с разработкой и производством СВЧ устройств наибольшее внимание, уделяется вопросам, относящимся к созданию активных цифровых антенных решеток способных без ухудшения технических параметров радиотехнических систем заменить используемые в них активные фазированные антенные решетки. Известно [2], что активные фазированные антенные решетки охватывают частотный диапазон лежащий от L (1 - 2 ГГц) до Х (8 - 12 ГГц) и обеспечивают достигаемый средний энергетический потенциал в пределах от 4 до 800 Вт. Исходя из классической концепции построения активных цифровых антенных решеток [5] подразумевается, что ее приемная и передающая части будут совмещены и каждый антенный элемент, входящая в нее будет работать как на прием, так и на передачу. Однако попытка реализации такой антенной системы сталкивается с трудностями излучения мощного зондирующего сигнала, покрывающего одновременно весь сектор радиотехнической системы [1].

Любая антенная решетка в соответствии с критерием Рэлея обеспечивает угловое разрешение , равное ширине диаграммы направленности по уровню половинной мощности 0,5 в пределах

,

где - длинна волны, м;

L - линейный размер антенны, м.

То есть в режиме излучения в раскрыве решетки формируется луч, ширина которого существенно меньше всего сектора обзора. Таким образом, возникает необходимость решения технической задачи обеспечения "подсвета" всей зоны обзора лучом антенной решетки с целью достижения требуемого отношения сигнал/шум, что в принципе приводит к потере части выигрыша от применения таких антенных систем.

На практике в качестве выхода из сложившейся ситуации широко используют активные цифровые антенные решетки, содержащие в себе разнесенные (невзаимные) передающую и приемную подрешетки [3]. Причем приемная часть всегда выполняется с применением элементов цифровой схемотехники, а передающая - только аналоговой.

Анализу, применяемых в настоящее время схем построения передающих и приемных подрешеток, входящих в цифровую антенную систему, а также используемой в них современной электронной компонентной базе и посвящена настоящая статья.

2. Анализ электронной компонентной базы применяемой в передающих модулях

Задача построения передающих модулей цифровых антенных решеток на сегодняшний день практически решена. Успешный опыт их применения в активных фазированных антенных решетках позволил не только отработать технологии производства, но и уйти от использования унифицированных образцов. Большое количество отечественных предприятий радиоэлектронной промышленности выпуская передающие модули самостоятельно имеют возможность изготавливать изделия, адаптированные к конкретному применению и под доступную электронную компонентную базу. Все это положительно сказывается на массогабаритных и технических параметрах антенной системы в целом.

Схема электрическая структурная передающей части модуля традиционной активной фазированной антенной решетки в соответствии с рисунком 1 содержит следующие основные элементы: антенный элемент WA1, оконечный усилитель мощности A1, усилитель радиочастотного сигнала А2, управляемый аттенюатор А3 и полупроводниковый фазовращатель.

Оконечный усилитель мощности A1 обеспечивает, необходимый уровень выходной мощности, развиваемый в антенном элементе. Являясь завершающим элементом распределенной схемы устройства формирования сигнала радиотехнической системы, он во многом определяет такие параметры излучающего модуля как: излучаемая мощность P1; мощность, потребляемая от источника питания P0; допустимый диапазон рабочих температур; массогабаритные характеристики; долговечность; надежность и стоимость.

Таблица 1 Основные технические характеристики монолитных интегральных схем усилителей мощности сверхвысокочастотных сигналов

На практике достижимый коэффициент усиления по мощности, представленный в таблице 1 не всегда соответствует заявленным значениям и отличается на величину отклонения К. Это отклонение оказывает влияние на создаваемое общее амплитудное распределение в раскрыве антенной системы. Для снижения возможного негативного эффекта стараются на этапе входного контроля исправности передающих модулей производить измерение коэффициента усиления каждого из них после чего модули с меньшими значениями выходной мощности располагать по краям решетки, а с большим значением ближе к центру.

Усилитель радиочастотного сигнала А2 предназначен для предварительного усиления радиотехнического сигнала, до уровня обеспечивающего нормальную работу оконечного усилителя. В его задачу входит непосредственная компенсация собственных потерь всех пассивных элементов, стоящих на пути сигнала. К таким элементам относится дискретные аттенюаторы с собственными потерями, лежащими в пределах от 2 до 7 дБ, фазовращатели с величиной потерь от 4 до 8 дБ, тракты передачи сигнала с рассогласованием от 2 до 3 дБ и потерями из-за монтажа схемы и ее компоновки в корпусе.

Усилитель радиочастотного сигнала работает в линейном режиме усиления (режим класса А или близкий к нему) в связи с чем коэффициент полезного действия всего каскада не велик. К основным параметрам усилителя радиочастотного сигнала относятся: диапазон рабочих частот, динамический диапазон усиливаемого сигнала, коэффициент усиления, коэффициент шума. В таблице 2 приведены основные характеристики некоторых усилителей радиочастотного сигнала зарубежного и отечественного производства [7, 8].

Таблица 2 Основные технические характеристики усилителей радиочастоты

Управление амплитудным распределением в каждом модуле осуществляется с помощью дискретного полупроводникового аттенюатора А3. Его основной задачей является установка требуемого амплитудного распределения, определяющего уровень боковых лепестков формируемой диаграммы направленности. Промышленностью выпускаются широкий диапазон аттенюаторов от 5 битных с параллельным интерфейсом и высокой скоростью переключения до 12 битных, работающих в широкой полосе частот, имеющих встроенную энергонезависимую постоянную память для записи в нее значений ослабления и закона связи между ослаблением и управляющим сигналом (линейный или логарифмический) [9]. В настоящее время на рынке присутствует достаточно большое количество твердотельных аттенюаторов. В частности ФГУП НПП «Салют» выпускает линейку 5 битны аттенюаторов, перекрывающих диапазон частот от 0,2 до 18 ГГц, с собственными потерями 3,5 дБ, динамическим диапазоном 31 дБ при входной мощности 100 мВт, временем переключения ослабления 40 нс и интервалом рабочих температур от минус 60 до 850С [10].

Управляемый фазовращатель А4 предназначен для формирования заданного фазового распределения в раскрыве передающей подрешетки. Задача управления положением луча передающей диаграммы направленности остается актуальной и для цифровых антенных систем несмотря на то, что главным из их достоинств является полный отказ от фазосдвигающих элементов. Промышленностью выпускается широкая линейка дискретных фазовращателей в микросхемном исполнении. Развитие технологий позволило существенно снизить их стоимость. Так в среднем стоимость микросхемы фазовращателя в настоящее время в 8 - 10 раз меньше стоимости интегральной микросхемы оконечного усилителя. Вместе с тем существенной проблемой на этапе производства передающих антенных решеток с электронным управлением является их калибровка. В общем виде фазовый набег сигнала в каждом модуле можно представить в виде

,

где - временная составляющая фазы сигнала;

- пространственная составляющая фазы сигнала;

- фазовый сдвиг, вносимый фазовращателем;

- фазовая ошибка, вызванная неидентичностью электрических длин линий передачи;

- начальная фаза сигнала.

В приведенном выражении крайние две переменные носят случайный характер. Они связаны с технологическими особенностями изготовления антенной решетки, слабой выпуклостью диаграммы направленности и так далее. В частности, зависят от электрической длинны кабельных сборок и схемы питания. В случаях, когда требуется достаточно точная относительная фазовая настройка каждого излучающего модуля используют сверхширокополосные автоматизированные измерительно-вычислительные комплексы, с технологией планарного сканирования в ближней зоне [11]. Это позволяет по месту расположения модуля определить все неустранимые фазовые набеги и своевременно скорректировать их путем записи в память корректирующих коэффициентов для каждого излучающего элемента.

Подробный перечень доступных в настоящее время зарубежных и отечественных цифровых фазовращателей, выполняемых в интегральном исполнении, принципов их построения и характеристики достаточно полно приведены в [13].

Вариант схемы электрической принципиальной передающего модуля цифровой антенной решетки имеет вид в соответствии с рисунком 2. На рисунке не показаны преобразователи DC/DC через, которые осуществляется питание монолитных интегральных схем. Эти элементы в каждом случае подбираются индивидуально. Управление дискретным аттенюатором DA3 и ступенчатым аттенюатором DA4 может осуществляться непосредственно по цифровой шине, либо же через элементы памяти, выполняющие роль «защелок».

Известны [12] способы управлением фазовым распределением без использования фазовращетелей. При этом фазирование модулей передающей подрешетки осуществляется автоматически без учета их взаимного положения. Требования к точности расположения излучателей не снимаются, но существенно снижаются и ограничиваются лишь необходимостью выдерживания их расположения в пределах линии.

Вариант реализации передающего модуля антенной решетки без фазовращателей в соответствии с рисунком 3 содержит в себе преобразователь сигналов, действующих на близких частотах. Учет всех систематических ошибок фазирования производится путем корректировки только кода управления перестройкой генераторов.

Рис. 2 Вариант схемы электрической принципиальной передающего модуля

Рис. 3 Схема электрическая структурная передающей части модуля активной фазированной антенной решетки без использования фазовращателей

В схеме, представленной на рисунке 3 преобразователь частоты может быть выполнен на базе интегральных микросхем United Monolithic Semiconductors типа СНМ1290-99F [15].

Стремление повысить точностные характеристики и помехозащищенность радиотехнической системы, содержащей в своем составе цифровую антенную решетку приводит к тому, что такие антенные системы стараются делать на основе решеток, работающих в нескольких частотных диапазонах с одного раскрыва [4].

Учитывая, что все излучающие модули передающей подрешетки и каналообразующие модули цифровой приемной подрешетки на время перестройки по диапазону, а последние также и во время излучения, зондирующего сигнала необходимо отключать на первый план выходит проблема их защиты от бросков тока.

Современная электронная компонентная база, на основе которой строятся цифровые антенные решетки содержит высокопроизводительные микросхемы, питающиеся низким напряжением и чрезвычайно высоким током.

4. Анализ системы питания цифровой антенной решетки

Рассмотрим особенности системы питания цифровых антенных решеток, а также электронную компонентную базу, которая используется при ее построении.

Система электропитания антенных решеток строится таким образом, чтобы обеспечить высокую надежность ее функционирования. Для достижения этого каждый модуль антенной решетки в соответствии с рисунком 4 [2] нагружают на свой маломощный преобразователь DC/DC, который в свою очередь питается от более мощного источника.

Рис. 4 Схема электрическая структурная построения электропитания

Выбор оптимальной элементной базы является приоритетным направлением при изготовлении системы питания. Зачастую в ответственных приложениях для решения, описанных задача разработчики применяют модули, изготовленные по гибридной технологии (производители Internetional Rectifier, PT Electronics, Modular Devices Inc)

Включение питания любой радиолокационной станции происходит в несколько этапов. Каждый этап длится в течение времени необходимого для прекращения всех переходных процессов и перехода последовательно запускаемых устройств в стационарный режим. Все это приводит к увеличению времени, затрачиваемого на ее включение, а также всегда присутствует риск вывода всей радиолокационной станции из строя при нарушении алгоритма ее включения.

Современная электронная компонентная база, на основе которой строятся цифровые антенные решетки содержит высокопроизводительные микросхемы, для которых требуются преобразования как тока, так и напряжения.

Один из главных элементов устройств силовой электроники являются полупроводниковые ключи. Использование полностью управляемых ключей позволяет во многих случаев сильно упростить схему преобразователей и изменить их технико-экономические характеристики в положительную сторону. В настоящее время на практике в преобразовательной технике в качестве полностью управляемых ключей используются силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT, Insulated-gate bipolar transistor), они характеризуются надежностью и малыми габаритами. Например, распределительная система электропитания с АC/DC преобразователем, размещенной на печатной плате.

Высокомощные электронные ключи предполагается выполнить в тонкостенном алюминиевом корпусе, внутри которого крепиться печатная плата с установленными на нее элементами поверхностного монтажа и залитой компаундом с теплопроводящим наполнителем.

Несмотря на имеющиеся преимущества использования IGBT транзисторов, применение последнего имеет проблемы, связанные с коммутационными выбросами, возникающими в процессе включения цифровой антенной решетки радиолокационной станции.

При коммутации ключа в соответствии с рисунком 5, а возникает выброс напряжения, обусловленный паразитной индуктивностью линии питания, рисунок 5, б.

Эти выбросы влияют как на пробой самого транзистора, так и на полезную нагрузку, электромагнитную совместимость и определяют уровень создаваемых источником электромагнитных помех

Рис. 5 Пояснение к коммутационным выбросам: а - выброс напряжения в момент коммутации; б - эквивалентная схема включения транзисторов

В процессе коммутации амплитудное значение напряжения действующего в цепи коллектора резко возрастает и приводит к тому, что напряжение коллектор-эмиттер становится больше допустимого значения и выводит транзисторный ключ из строя.

Для борьбы с коммутационными выбросами в настоящее время используют различные виды сннаберныех цепей (R, RC, RCD-цепи).