Автореферат (Модуль бортовой цифровой антенной решетки)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемыСовременные бортовые радиоэлектронные системы (РЭС) находятся вбыстро меняющейся радиотехнической обстановке, поэтому их функциональные возможности должны обеспечивать гибкое изменение характеристик в зависимости от режима работы.Задача комплексирования функций, выполняемых антенной системой,возникает при разработке бортовых многофункциональных радиолокационныхсистем (РЛС), осуществляющих обнаружение, сопровождение и идентификацию объектов, а также при совмещении функций РЛС и системы радиопротиводействия в одной антенне.Применение активных фазированных антенных решеток (АФАР) в многофункциональных бортовых РЭС выдвигает ряд технических и научных проблем: обеспечение высокого уровня излучаемой мощности с ограниченнойапертуры АФАР; построение надежных полупроводниковых приемопередающих модулей (ППМ) на активных элементах с высокими КПД и коэффициентом усиления по мощности и стабильной фазовой характеристикой в широкойполосе частот, минимально возможным уровнем внеполосного излучения; разработка методов проектирования с учетом минимизации массы, габаритов, стоимости.Существенное изменение входных сопротивлений излучателей при сканировании и смене режима работы АФАР обуславливает изменение характеристик активных элементов модуля и может нарушить их устойчивость.

Это обстоятельство надо учитывать при проектировании выходных мощных каскадовпередающей части ППМ.Необходимо отметить наиболее важные проблемы построения различного класса бортовых многофункциональных радиосистем:˗ создание новых схем построения АФАР на основе перспективной полупроводниковой цифровой элементной базы, обеспечивающих возможностьсовмещения ряда функций в одной антенной системе;3˗ разработка оптимальных методов управления частотой, амплитудой ифазой сигналов в АФАР;˗ оптимизация характеристик АФАР, создаваемых на специализированной цифровой элементной базе;˗ увеличение излучаемой мощности и КПД при расширении полосы рабочих частот, уменьшение массы, габаритов, стоимости ППМ.Многофункциональность РЭС достигается переходом на цифровое диаграммообразование (ЦДО), при котором решетка становится цифровой (ЦАР).Использование ЦДО позволяет повысить помехозащищенность РЭС, её динамический диапазон, скорость управления амплитудно-фазовым распределением(АФР).В настоящее время в мире ведутся активные работы по исследованиюструктуры приёмопередающего модуля цифровой антенной решетки, а такжеего составных элементов – аналого-цифровых преобразователей (АЦП), цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) и других.

В основном они касаются антенных решеток в составе наземных систем связи, где ЦАР используютсянаиболее широко, и затрагивают вопросы формирования и обработки сигнала.При этом проблемам, возникающим в СВЧ части модуля не уделяется должного внимания.Вопрос выбора структуры модуля для многоэлементных бортовых ЦАРявляется мало проработанным и требует дополнительного анализа. Использование ЦДО в этом случае сдерживается не только сложностью цифровогоуправления и синхронизации, но также и большой потребляемой мощностьюмодуля, что является недопустимым для бортовых РЭС.Основными потребителями энергии в ЦАР, как и в АФАР, являютсяединый СВЧ возбудитель и активные приборы, входящие в состав модулей.Существенные потери мощности в системе распределения опорного СВЧ сигнала приводят к возрастанию энергопотребления возбудителя, особенно в случае реализации многолучевой ДН.

Управляемые фазовращатели и аттенюаторыв передающем тракте и АЦП в приёмном тракте модулей дополнительно уве4личивают уровень потребляемой мощности и амплитудно-фазовые ошибки приформировании ДН ЦАР, что является недопустимым для бортовых РЭС. Существенное влияние на энергопотребление РЭС оказывает оконечный усилительмощности в составе передающего тракта модуля ЦАР.

Достижение высокогоКПД усилителя возможно только при наличии точной нелинейной моделитранзисторов, входящих в его состав.Определение оптимальной структуры как цифровой, так и СВЧ частеймодуля бортовой ЦАР, при которой возможно уменьшение энергопотреблениямногофункциональной РЭС является актуальной задачей.Степень разработанности темыИзвестны работы, посвященные вопросам построения цифровых антенных решеток и их составных элементов таких авторов, как Воскресенский Д.И.,Иммореев И.Я., Слока В.К., Евстропов Г.А., Слюсар В.И. Основное их внимание направлено на проблемы разработки приёмных ЦАР, в первую очередьназемного базирования.Вопросы моделирования активных приборов рассматривались в трудахНеймана М.С., Шахгильдяна В.В., Челнокова О.А., Кулешова В.Н., РоманюкаВ.А., Алексеева О.В., Ангелова И.Известны работы зарубежных авторов - Гупта Д., Муханов O., МагилE., по разработке ППМ, в состав которых входят прямые цифровые синтезаторы сетки частот (ССЧ).

Однако уровень фазовых шумов и побочных составляющих в таких модулях являются недопустимыми для использования в доплеровской радиолокации.Целью работы является разработка принципов построения и схемотехнической реализации приемопередающего модуля для бортовой цифровойантенной решетки многофункциональной радиоэлектронной системы, а такжеразработка моделей и путей создания новых устройств, позволяющих снизитьэнергопотребление, массу и размеры модуля за счет использования высокоэффективных технологий и методов моделирования.5Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:1.Выбрать принцип построения и схемотехническую реализацию приемопередающего модуля для цифровой антенной решетки бортовой многофункциональной радиоэлектронной системы, работающей в условияхограниченного энергопотребления, имеющей минимальные массу и размеры.2.Провести оценку энергетических характеристик ЦАР на основе рассматриваемой структуры модуля и сравнение их с АФАР традиционной архитектуры.3.Выбрать метод нелинейного моделирования процессов в мощных многосекционных псевдоморфных СВЧ транзисторах, позволяющий интерпретировать результаты их экспериментальных исследований.4.Создать нелинейную модель транзистора, позволяющую находить егооптимальный режим для достижения высокого КПД и требуемого усиления в широкой полосе рабочих частот.5.Провести экспериментальные исследования мощных СВЧ усилителей напсевдоморфных транзисторах для подтверждения возможности использования их в составе передающего тракта модуля ЦАР.Методы исследованияВ диссертационной работе используются: метод гармонического балансадля описания нелинейных электрических цепей, теория функций комплексногопеременного, элементы линейного программирования, теория статистическогоанализа, матричные методы решения систем линейных алгебраических уравнений, теория матричного описания антенн и устройств СВЧ, электродинамическое моделирование СВЧ устройств методом моментов.Научная новизна1.Предложена схемотехническая реализация приемопередающего модуляцифровой антенной решетки, позволяющая снизить энергопотребление6бортовой многофункциональной радиоэлектронной системы за счет использования в каждом модуле синтезатора сетки частот с цифровымкольцом ФАПЧ.2.Развит метод нелинейного моделирования процессов в мощных многосекционных псевдоморфных СВЧ транзисторах на основе результатов ихэкспериментальных исследований.3.Предложена нелинейная модель транзистора, в которой учтена зависимость режима от совокупности параметров, влияющих на его основныеэнергетические характеристики.4.Разработана методика определения элементов эквивалентной электрической схемы мощного СВЧ транзистора, позволяющая увеличить точностьопределения его параметров по сравнению с существующими методиками.Основные положения, выносимые на защиту1.

Схемотехническая реализация модуля цифровой антенной решетки,обеспечивающая снижение энергопотребления бортовой РЭС на 3 – 5 % вдиапазоне частот от 1 до 18 ГГц за счет использования в качестве СВЧвозбудителя синтезатора сетки частот с цифровым кольцом ФАПЧ.2. Нелинейная модель мощного СВЧ транзистора на тестовой плате на основе параллельных резонансных контуров, обеспечивающая более высокую точность моделирования транзистора в широкой полосе частот ипозволяющая за счет этого повысить КПД усилителей мощности на 3 – 5%, а уровень выходной мощности на 8 – 10 %.3. Алгоритм и методика его использования для определения параметровмощных СВЧ транзисторов на основе результатов их экспериментальныхисследований, позволяющие реализовать предложенную модель.7Практическая значимость результатов работыПолученные в процессе работы над диссертаций результаты могут статьосновой для разработки бортовых ЦАР многофункциональных РЭС, обеспечивающих более высокие энергетические характеристики.Предложенный в работе алгоритм определения параметров мощныхСВЧ транзисторов и нелинейная модель могут послужить основой для разработки СВЧ усилителей мощности, обладающих повышенным КПД и уровнемвыходной мощности в широком диапазоне рабочих частот.