Основные аспекты создания систем электропитания для активной фазированной антенной решетки перспективных бортовых радиолокационных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ярославское высшее военное училище противовоздушной обороны

Основные аспекты создания систем электропитания для активной фазированной антенной решетки перспективных бортовых радиолокационных систем

Родюккин В.Д.

Ханцев А.А.

г. Ярославль

Аннотация

электропитание радиолокатор антенный фазированный

В статье на основе материалов научно-технической литературы, а также результатов собственных работ авторов проведён анализ технологий создания систем электропитания для активных фазированных антенных решеток, используемых в составе современных бортовых радиолокаторов. Рассмотрены применяемая элементная база и перспективы её совершенствования. Предложены направления модернизации систем электропитания антенных решеток с учётом возрастающих требований к эффективности функционирования радиолокационных датчиков информации авиационно-космического базирования.

Ключевые слова: радиолокационная система, активная фазированная антенная решётка, система электропитания.

Abstract

Rodyukkin V.D.

4 year, faculty of Radio Engineering Complexes

Russia Yaroslavl Khantsev A.A.

Russia Yaroslavl Terekhov A. Yu Cadet

Basic aspects of creation of power systems for afars of perspective on-board radars

Based on the materials of the scientific and technical literature, as well as the results of the authors' own work, the article analyzes the technologies for creating power systems for active phased array antennas used in modern on-board radars. The applied elemental base and prospects for its improvement are considered. The directions of modernization of power supply systems of antenna arrays are proposed taking into account the increasing requirements for the efficiency of the operation of aerospace-based radar information sensors.

Введение

Одной из тенденций развития комплексов дистанционного мониторинга авиационно-космического базирования (далее - комплексы мониторинга) является стремление выполнить передающий тракт их радиолокационных систем (РЛС) по возможности распределенным. В этой связи во многих комплексах мониторинга нового поколения применение находят активные фазированные антенные решётки (АФАР) [1, 2]. В настоящее время и за рубежом, и в нашей стране немало внимания уделяют решению многочисленных проблем проектирования, создания элементной базы и изготовления АФАР бортовых РЛС [3-5]. Очевидно, из-за специфики базирования к таким АФАР предъявляют жёсткие требования в части минимальных массогабаритных характеристик и энергопотребления (в том числе его равномерности) при необходимости достижении достаточного энергетического потенциала РЛС. Вместе с тем АФАР является сложнейшей и одной из самых энергопотребляющих систем во всей РЛС, при этом она в совокупности с ее системой электропитания (СЭП) оказывает значительное влияние как на тактико-технические, так и на эксплуатационные характеристики всего комплекса мониторинга. Именно поэтому проектирование СЭП АФАР является одним из важнейших этапов построения РЛС.

Цель данной работы - проанализировать технологии создания СЭП для АФАР, используемых в составе современных бортовых РЛС комплексов мониторинга, показать особенности их проектирования и выбора элементной базы, а также наметить пути их совершенствования с учётом возрастающих требований к эффективности функционирования радиолокационных датчиков информации авиационно-космического базирования.

Общие сведения о системах электропитания АФАР

Назначением СЭП АФАР в совокупности с передающим трактом является преобразование энергии системы электроснабжения (СЭС) носителя РЛС в энергию зондирующих сигналов с заданными параметрами в соответствии с требуемым режимом работы РЛС, а также обеспечение функциональной аппаратуры АФАР необходимыми http://izd-mn.com/ 18 напряжениями электропитания [6]. Поэтому неотъемлемой составной частью любой СЭП являются источники электропитания (ИЭП), число которых в СЭП АФАР в зависимости от требований, предъявляемых к последней, может составлять от единиц до нескольких тысяч. В АФАР каждый приемо - передающий модуль (ППМ) для СЭП является активной импульсной и в общем случае нелинейной нагрузкой, как правило, с высокими требованиями к стабильности и пульсации напряжения электропитания. Несоблюдение этих требований может отразиться на таком важном параметре, как амплитуднофазовая нестабильность зондирующих сигналов, что, в конечном счете, повлияет на параметры обнаружения РЛС [4]. Другая особенность ППМ как нагрузки СЭП - потребляемая им при передаче мощность может достигать единиц и десятков киловатт в импульсе. Для согласования СЭС, обычно рассчитанную на гораздо меньшую мощность, и импульсной нагрузки, коей является выходной усилитель мощности (УМ) передающего канала ППМ, применяют накопители электроэнергии (НЭ), устанавливаемые обычно в ППМ либо в непосредственной близости от него. Анализ особенностей построения современных бортовых РЛС с АФАР позволяет утверждать, что одним из требований, предъявляемых к перспективным бортовым РЛС, помимо всех прочих, является создание высоконадежных, многофункциональных, высокоинтегрированных, высокоэкономичных СЭП и их составных частей. Поэтому с целью кардинального улучшении характеристик АФАР разработка компонентов ИЭП и СЭП в целом целесообразна в следующих ключевых направлениях: в области конфигурирования СЭП, повышения удельных характеристик ИЭП и расширения их функциональных возможностей.

Конфигурирование систем электропитания.

По конфигурации СЭП АФАР делят на централизованные, децентрализованные (распределенные, матричные) и смешанные.

Преимущества и недостатки того или иного подхода к энергораспределению в АФАР рассматривались в научно-технической литературе неоднократно, например, в [7-11], поэтому в данной работе мы не будет фокусировать на них внимание. Однако отметим, что традиционно в АФАР бортовых РЛС находят применение распределенные и смешанные конфигурации СЭП, а ИЭП зачастую интегрированы в состав ППМ. Выбор наиболее эффективной конфигурации СЭП АФАР бортовой РЛС в соответствии с тем или иным критерием в общем случае зависит от следующих факторов: - типа носителя и места расположения АФАР; - наличия вращающихся контактных устройств и протяженности кабельной сети; - формы и геометрических размеров антенной решетки; - числа, принципа расположения и способа соединения ППМ; - применяемой элементной базы; - числа номиналов напряжений электропитания для одного ППМ; - номиналов напряжений электропитания и токов потребления ППМ; - требуемой стабильности напряжений электропитания, а также их пульсации; - напряжения и рода тока питающей сети; - характера нагрузки (импульсная или постоянная); - необходимости гальванической развязки; - требований к надежности, массе, стоимости и т.д. Следует указать на то, что конфигурация СЭП зависит и от ряда специфических требований, которые предъявляют к аппаратуре АФАР и РЛС в целом. Например, возможность высокоскоростной регулировки выходной мощности ППМ в широких http://izd-mn.com/ 19 пределах (требуется оперативная регулировка напряжений электропитания выходных

усилительных каскадов передающего канала ППМ), импульсная модуляция выходного сигнала ППМ (требуется стробирование напряжения электропитания и / или смещения), оперативное включение / отключение ППМ и т.д. Представляется очевидным, что наиболее выгодным с точки зрения достижения максимального коэффициента полезного действия (КПД) СЭП является преобразование параметров электроэнергии СЭС непосредственно в ИЭП ППМ (одна ступень энергопреобразования), то есть ИЭП должен представлять из себя многоканальный ACDC или DC-DC преобразователь (в зависимости от типа СЭС). Однако такая чисто распределенная конфигурация СЭП имеет целый ряд недостатков, ограничивающих ее практическое применение. Один из основных - посредственные массогабаритные и энергетические показатели ИЭП маломощных АС-ОС преобразователей. Кроме того, кабельная сеть переменного трехфазного напряжения имеет худшие массогабаритные показатели, чем аналогичная сеть с постоянным напряжением. На практике часто используют дополнительную ступень энергопреобразования - относительно высоковольтную промежуточную шину постоянного тока. Так, для формирования из трехфазного напряжения СЭС промежуточной шины постоянного тока применяют трехфазные мостовые выпрямители или АС-ОС преобразователи мощностью от единиц до десятков киловатт. Обычно их дополняют схемами защиты от перегрузок в питающей сети, корректорами коэффициента мощности и фильтрами электромагнитных помех. Напряжение с промежуточной шины постоянного тока поступает уже непосредственно в каждый ППМ и другую аппаратуру АФАР - это вторая ступень энергопреобразования, реализуемая посредством многочисленных ИЭП на базе ОС-ОС преобразователей и линейных стабилизаторов напряжения (последние применяют, если необходимы малые пульсации напряжения электропитания - менее 10 мВ). С целью иллюстрации учета на практике приведенных выше особенностей построения СЭП

рассмотрим организацию электропитания АФАР на примере перспективной двухдиапазонной РЛС авиационного базирования. СЭП имеет в своем составе стойку AC-DC преобразователей, устанавливаемую в фюзеляже носителя. Стойка преобразует напряжение трехфазного генератора 200 В 400 Гц в напряжение 270 В промежуточной шины постоянного тока. В этом случае передача электроэнергии в кессон антенного обтекателя, где установлены ППМ, происходит на относительно высоких уровнях напряжений и, соответственно, при малых токах, что позволяет минимизировать энергетические потери в СЭП, а также снизить массу, габариты и стоимость кабельной сети. В АФАР 1-го диапазона напряжение 270 В промежуточной шины постоянного тока через распределительные коробки поступает непосредственно в каждый ППМ, где преобразуется DC-DC преобразователями и линейными стабилизаторами до требуемых номиналов напряжений электропитания. Интеграция ИЭП в состав ППМ позволяет решить следующие задачи: - преобразование входного высокого напряжения (270 В) в низкое (единицы и десятки вольт); - стабилизация напряжений электропитания каждого из каналов ИЭП; - индивидуальная регулировка величины напряжения электропитания каждого УМ для регулировки выходной мощности ППМ с высоким КПД; - управление и контроль параметров распределенной энергетической системы: выходными

напряжениями, температурами и т.д.; - управление включением / выключением ППМ внешним сигналом. СЭП АФАР 2-го диапазона отличается от рассмотренной выше трехступенчатым преобразованием электроэнергии. В качестве второй промежуточной шины выбрано напряжение постоянного тока величиной 50 В. Такой подход к энергораспределению обусловлен большим количеством (более 1000 шт.) ППМ и относительно малой выходной мощностью каждого ППМ. Номенклатура серийно выпускаемых DC-DC преобразователей малой мощности, рассчитанных на входное напряжение 270 В, крайне ограничена. В то же время серийно выпускаемые DC-DC преобразователи, рассчитанные на входное напряжение 50 В, имеют широкий диапазон выходных мощностей и напряжений, что позволяет их применять в ИЭП ППМ для уменьшения сроков и трудоемкости разработки СЭП. Второй причиной использования промежуточной шины номиналом 50 В является крайне разветвленная кабельная сеть и сложности обеспечения её электропрочности при напряжении 270 В. Таким образом, можно выделить следующие мероприятия в области конфигурирования СЭП АФАР перспективных бортовых РЛС: - уменьшение ступеней энергетических преобразований; - переход к технологии с промежуточной шиной постоянного тока, когда преобразование постоянного напряжения промежуточной шины и гальваническая развязка производятся отдельно в каждом ИЭП, интегрированном в ППМ; - переход на более высоковольтную промежуточную шину постоянного тока из-за применения нитридных транзисторов в выходных усилительных каскадах ППМ, увеличения мощности АФАР и снижения потерь мощности в кабельной сети.

Повышение удельных характеристик.

В области повышения удельных характеристик ИЭП необходимо проведение следующих мероприятий: - применение схемотехнических решений, позволяющих снизить потери в ключевых элементах при одновременном повышении частоты преобразования (квазирезонансные топологии, многофазное преобразование с процессорным управлением и т.д.); - улучшение характеристик элементной базы (многослойные керамические конденсаторы с высокой удельной емкостью, низкопрофильные ферритовые сердечники с расширенными частотным и температурным диапазонами, полевые транзисторы с крайне малым сопротивлением открытого канала сток- исток и т.д.); - применение новых технологий конструирования,

многослойных печатных плат, планарных магнитных компонентов, совершенствование способов монтажа и т.д.; - использование технологии керамических теплопроводных печатных плат и бескорпусных элементов для маломощных ИЭП; - уменьшение размеров элементной базы, в том числе уменьшение топологических размеров микросхем с повышением степени интеграции; - переход от гибридных интегральных схем к монолитным. В настоящее время малые габариты и масса позволяют использовать серийные модули электропитания (МЭП) как обычные компоненты печатных плат. Одним из основных показателей МЭП, определяющих уровень их миниатюризации, считается удельная мощность, т.е. выходная мощность МЭП, приходящаяся на единицу объема. Последние несколько десятилетий удельная мощность МЭП непрерывно повышается. В настоящее время достижимой считается удельная мощность для гальванически развязанных модулей БС-ОС преобразователей до 50 кВт/дм3 (МЭП серии DCM компании «У1сог») и 7,8 кВт/дм3 для модулей АС-ОС преобразователей (МЭП серии PFM компании «У1сог»). В таблице 1 для сравнения приведены основные характеристики некоторых отечественных и зарубежных МЭП, рассчитанных на входное напряжение постоянного тока 300 В. Как видно из таблицы, КПД МЭП отечественного и зарубежного производства в среднем находятся на одном уровне, в то время как удельная мощность отечественных МЭП значительно ниже, чем у МЭП зарубежного производства. Вместе с тем все приведенные МЭП не свободны от недостатков, которые в ряде случаев не позволяют остановить разработчику на них свой выбор. Так, например, все выпускаемые МЭП или не работают, или не гарантируют работу на нагрузку со значительной ёмкостной составляющей, что необходимо в ИЭП, содержащих НЭ большой емкости (обычно свыше 10000 мкФ). Кроме того, подавляющее большинство серийных http://izd-mn.com/ 22 МЭП имеет диапазон регулировки выходного напряжения не более 95…105% от номинального значения, в то время как для глубокой регулировки выходной мощности ППМ АФАР зачастую необходим диапазон регулировки 20.110%. Этот факт не позволяет или крайне ограничивает использование серийных модулей ОС-ОС преобразователей в ИЭП ППМ. Повышение удельных показателей ИЭП актуально еще и по той причине, что в будущем планируется использование АФАР на фюзеляже, крыльях и хвостовом оперении носителя (так называемые конформные АФАР), когда значительно ограничены габариты ППМ и усложнен отвод тепла от них. Также конформные АФАР найдут применение и при создании компактных РЛС, например, для беспилотных летательных аппаратов. К сожалению, последние несколько десятилетий оказались трудными не только для производства отечественных модулей электропитания, но и в целом для отечественной электронной промышленности - как результат, до сих пор в большинстве отечественных ИЭП применяют импортную элементную базу, включая силовые полупроводниковые приборы, конденсаторы и электромагнитные компоненты. На практике как существующие, так и вновь разрабатываемые отечественными предприятиями диоды и полевые транзисторы, электролитические и многослойные керамические конденсаторы, а также магнитомягкие ферриты для дросселей и трансформаторов зачастую не позволяют создавать ИЭП, отвечающие требованиям сегодняшнего дня. Как пример, сопротивление открытого канала транзисторов с максимальным напряжением сток-исток 500 В 2П795А92 (АО «ВЗПП-С») и АКВ16К50 («Ангстрем») составляет 0,4 Ом. Сопротивление открытого канала транзистора с максимальным напряжением сток-исток 600 В IPW60R017C7 («ГпРшеоп») составляет 0,017 Ом, что в 23 раза лучше аналогичного показателя отечественных транзисторов. Или наиболее компактные конденсаторы типа К10-84 («Монолит») группы ТКЕ Н20 с напряжением 100 В имеют габариты 12х10х6 мм³ и емкость 1,8 мкФ, в то время как зарубежные конденсаторы CKG серии «Megacap» («TDK») группы ТКЕ X7S (аналог Н20) с напряжением 100 В имеют габариты 5,7х5,0х5,0 мм³ и емкость 22 мкФ, то есть их удельная емкость выше в 60 раз.

Расширение функциональных возможностей.

В области расширения функционала ИЭП можно выделить следующие мероприятия: - введение возможности оперативной глубокой регулировки выходного напряжения ИЭП УМ передающего канала ППМ - это позволит реализовать высокоэффективное (с энергетической точки зрения) управление мощностью ППМ для калибровки и формирования амплитудного распределения в раскрыве АФАР [6, 12, 13]; - применение в составе ИЭП УМ передающего канала ППМ дополнительных импульсных регуляторов напряжения - это позволит реализовать динамическое управление формой напряжения электропитания УМ независимо от величины напряжения на НЭ. Другим преимуществом такой структуры ИЭП является возможность значительного уменьшения ёмкости и массы НЭ за счёт более полного использования запасаемой в нём электроэнергии, что особенно важно при длительностях формируемых зондирующих сигналов более 100 мкс [6]; - применение ИЭП, реализующих функции заряда НЭ с постоянной во времени мощностью, что дает возможность отказаться от токоограничивающих дросселей в схеме ИЭП и уменьшить пульсацию тока, потребляемого ИЭП от питающей сети [14]. Кроме того, следует указать на то, что в настоящее время имеет место тенденция перехода к цифровым способам управления ИЭП. За счет применения микроконтроллеров и программируемых логических интегральных схем появляется возможность http://izd-mn.com/ 23 использовать сложные алгоритмы управления силовой частью ИЭП, что позволит значительно улучшить ряд характеристик ИЭП и расширить их функциональные возможности.

Заключение

Резюмируя приведенные выше результаты, можно сделать следующие выводы.

1. Сложность технической реализации бортовых радиолокационных АФАР обуславливает повышенное внимание к их разработке, невозможной без тщательного анализа существующих подходов к решению задачи электропитания АФАР.

2. Одним из условий повышения эффективности функционирования перспективных бортовых РЛС является проведение мероприятий по совершенствованию конфигураций систем электропитания АФАР, расширению функциональных возможностей источников электропитания приемо-передающих модулей, а также дальнейшее улучшение элементной базы и технологий создания устройств силовой электроники для применения в АФАР, в частности, стабилизирующих импульсных источников электропитания. Несмотря на высокий уровень развития последних, промышленное освоение новых источников электропитания, характеризующихся высокими значениями удельных показателей и надёжности, позволит совершить серьёзный прорыв в технике АФАР. Вместе с тем особенности функционирования современных унифицированных источников электропитания как отечественного, так и зарубежного производства (в частности, невозможность включения и работы на большую емкость, малый диапазон регулировки выходного напряжения) крайне ограничивают перспективы их использования в системах электропитания АФАР новейших бортовых РЛС.

3. Для обеспечения технологической независимости разработки АФАР для перспективных бортовых РЛС от импортных поставок необходимо скорейшее проведение широкого круга работ по созданию конкурентноспособных по техническому уровню устройств силовой электроники, а также формированию научного задела по обеспечению конкурентноспособности отечественных устройств силовой электроники в будущем.

Список использованной литературы

1. Верба В.С. Радиолокационные системы авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения. Принципы построения, проблемы разработки и особенности функционирования. М.: Радиотехника, 2014. 536 с.

2. Верба В.С. и др. Радиолокационные системы авиационнокосмического мониторинга земной поверхности и воздушного пространства. М.: Радиотехника, 2014. 576 с.

3. Быстров Р.П. и др. Особенности развития радиолокационных антенных и функциональных устройств // Успехи современной радиоэлектроники. 2010. №10. С. 13 - 26.

4. Гостюхин В.Л. и др. Активные фазированные антенные решетки. М.: Радиотехника, 2011. 304 с.

5. Белый Ю.И. и др. Антенны и радары с электронным управлением лучом. М.: Радиотехника, 2016. 234 с.

6. Королев А.В. и др. Об электропитании выходных усилительных каскадов приёмопередающих модулей импульсных РЛС с АФАР // Электропитание. 2016. №2. С. 33-41.

7. Лукин А.В. Распределённые системы электропитания // Практическая силовая электроника. 2001. №1. С. 4-8. http://izd-mn.com/ 24

8. Кушнерев Н.А., Шумов М.А. Система электропитания активных фазированных антенных решеток // Антенны. 2007. №12. С. 63-69.

9. Сушкова Н.С. Построение системы электропитания для современных и перспективных многоэлементных АФАР // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2015. №4. С. 39-43.

10. Гончаров А. Особенности построения матричных систем распределенного электропитания для АФАР // Компоненты и технологии. 2016. №12. С. 100-104.

11. Жданкин В.К. Некоторые проблемы при проектировании систем распределенного электропитания // Компоненты и технологии. 2018. №2. С. 86-94.

12. Королев А.В. и др. Опыт разработки мощного передающего модуля АФАР Рдиапазона с динамическим управлением напряжением питания для БРЛС // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. №5. С. 43-49.

13. Тушнов П.А., Бердыев В.С. Технология управления выходной мощностью приёмо-передающего модуля АФАР // Радиотехника. 2015. №10. С. 62-74.

14. Кныш В.А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов. Л.: Энергоиздат, 1981. 160 с.

Размещено на Allbest.ru