Автореферат (Модуль бортовой цифровой антенной решетки), страница 2

Проведена разработка и экспериментальные исследования макетов мощных СВЧ усилителей,подтверждающие повышение КПД и выходной мощности за счет использования предложенного метода моделирования транзистора на тестовой плате.Реализация и внедрение результатов работыРезультаты диссертационной работы использованы при решении задачизмерений и моделирования ряда новых отечественных и зарубежных мощныхСВЧ GaAs и GaN транзисторов, а также в разработке гибридно-интегральныхGaN усилителей мощности сантиметрового диапазона длин волн.Научные результаты диссертационной работы были использованы напредприятии ФГУП «ЦНИРТИ им.

академика А.И. Берга» и в НЦ СРМ МАИпри разработке многофункциональной бортовой радиолокационной системы.Представленные в диссертационной работе научные и практические результаты внедрены в учебный процесс на кафедре “Радиофизика, антенны имикроволновая техника” МАИ. Они использованы при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплине «Передающие модули СВЧ и оптического диапазона», а также вошли в 2015 году в состав учебного пособия «Антенные решетки современных радиоэлектронных систем» (авторский 1 п.л.).Акты о внедрении представлены в приложении.Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений, приближений и преобразований, использованием8широко известного и апробированного математического аппарата, компьютерных программ, а также экспериментальными исследованиями и разработками.Апробация результатов работыОсновные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:Международных научно-практических конференциях:-10-ой и 11-ой Международной конференции «Авиация и космонав-тика», г.

Москва, 2011 г., 2012 г.-9-ой Международной молодежной научно-технической конферен-ции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций», г. Севастополь, 2012 г., 2013 г.-23-ой и 24-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», г. Севастополь, 2013 г., 2014 г.-15th, 16th International Conference on Transparent Optical Networks(ICTON), Cartagena, Spain, 2013 / Graz, Austria, 2014.-The 29th Congress of the International Council of the Aeronautical Sci-ences (ICAS-2014), St Petersburg, 2014.Всероссийских научно-технических конференциях:-Научно-практической конференции студентов и молодых учёныхМАИ «Инновации в авиации и космонавтике-2011», г. Москва, 2011;-Московской молодёжной научно-практической конференции «Ин-новации в авиации и космонавтике – 2012», г. Москва, 2012;-I Всероссийской микроволновой конференции, г.

Москва, 2013;-III межвузовской студенческой конференции «Научная сессия – со-временная радиоэлектроника», г. Москва, 2014;ПубликацииРезультаты исследований, проведённых в процессе выполнения диссертационной работы, опубликованы в 18 печатных трудах, из них 6 научных статей в журналах из перечня ВАК, 11 тезисов докладов и одно учебное пособие.9Личный вкладВсе представленные в диссертации результаты исследований и экспериментальные данные получены лично автором либо при его непосредственномучастии.Структура и объём работыДиссертационная работа изложена на 156 машинописных листах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых сокращений,списка литературы и приложения. Иллюстративный материал представлен ввиде 97 рисунков и 20 таблиц.

Список литературы включает 96 наименования.Акты о внедрении приведены в приложении к диссертации.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,списка используемых сокращений и списка литературы.В Главе 1. Анализ требований к составным элементам приёмопередающего модуля цифровой антенной решетки проведён обзор структурППМ антенных решеток, а также их составных элементов. Анализ показал, что,несмотря на большое разнообразие фирм-разработчиков, структура ППМобычно остается неизменной, за исключением ППМ на принципе SDR(software-defined radio), которые в настоящее время не используются в бортовых многоэлементных ЦАР.

Полупроводниковые СВЧ фазовращатели и аттенюаторы ограничивают возможный частотный диапазон ППМ и уменьшаютКПД модуля. Потери компенсируется введением дополнительных усилительных каскадов, приводящих к увеличению габаритных размеров и массы изделия.Увеличение КПД модуля можно осуществить при использовании квадратурного модулятора (КМ) в качестве устройства управления амплитуднофазовым распределением на передачу в ЦАР. Разрядность и полоса входногоСВЧ сигнала современных коммерчески доступных АЦП позволяет обеспечить10преобразование непосредственно на несущей частоте в приёмных трактах модулей ЦАР вплоть до 20 ГГц, что увеличивает динамический диапазон РЭС.Проведённый анализ показал, что реализация бортовой ЦАР невозможнапри использовании ППМ с традиционной архитектурой, а выбор и обоснованиеструктуры модуля ЦАР, позволяющего улучшить энергетические и электрические характеристики многофункциональных РЭС является актуальной задачей.Для снижения энергопотребления бортовой РЭС в Главе 2.

Приёмопередающий модуль цифровой антенной решетки предложена структура ЦАР,в которой отсутствует система распределения СВЧ сигнала. СВЧ возбудительвходит в состав каждого модуля ЦАР, а распределительная система становитсяполностью цифровой (рисунок 1).Рисунок 1 – Предлагаемая структура ЦАР11Для обеспечения малого уровня фазовых шумов в качестве возбудителяв модуле ЦАР предложено использовать ССЧ с цифровым кольцом фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Когерентность модулей реализуется общим вЦАР генератором тактовых импульсов (ГТИ), стабильность которого определяется опорным кварцевым генератором (ОКГ). Схема предлагаемого модуляЦАР показана на рисунке 2.В качестве устройства управления фазой и амплитудой выходного СВЧсигнала в модуле ЦАР предложено использовать КМ, синфазный и квадратурный каналы которого формируются с помощью ЦАП.

Для обеспечения высокого динамического диапазона преобразование СВЧ сигнала в цифровую форму вприёмном тракте модуле ЦАР осуществляется непосредственно на несущей частоте.В главе 2 была осуществлена оценка энергетических характеристик ЦАРна основе рассматриваемой структуры модуля, позволившая провести сравнение с АФАР традиционной архитектуры (цифровой приёмный тракт, фазовращатель и аттенюатор в передающем тракте). В качестве основного критериябыло выбрано отношение потребляемых мощностей антенных решетокПОТР=ПОТРАФАРПОТР ЦАР.

Исходными данными для расчета служили требуемая вы-ходная мощность модуляВЫХи количество элементов в антенной решетке N.Сравнение проводилось с АФАР, использующей коаксиальную (от 1 до 18 ГГц)и волноводную (от 10 до 40 ГГц) систему распределения СВЧ сигнала (рисунок3).

КПД и коэффициент усиления УМ, а также уровень потребляемой мощности ССЧ, АЦП и ЦАП имели при сравнении частотные зависимости, полученные на основании обзора, проведённого в главе 1. Количество УМ в ППМ рассчитывалось исходя из требуемой выходной мощности ППМ, мощности возбудителя, потерь в согласующих цепях.12Рисунок 2 – Схема модуля ЦАР13(а)(б)Рисунок 3 – Частотные зависимости потребляемых мощностей предложеннойЦАР и АФАР при (а) – коаксиальной и (б) волноводной разводкеЗа счет уменьшения КПД усилителей мощности (УМ) и возрастания потерь в СВЧ распределительной системе при увеличении частоты несущего колебания, наблюдаются области, в которых предложенная ЦАР оказываетсяэнергетически выгоднее АФАР и наоборот.

Например, приВЫХ3,5 Вт иN=500 предложенная структура модуля обеспечивает снижение энергопотребления ЦАР, начиная с 10,5 ГГц (рисунок 4).(а)(б)Рисунок 4 – Отношение потребляемых мощностей антенных решеток (а) – дляразных выходных мощностей ППМ, (б) – для различного количества элементовсравниваемых решеток14Показано, что предложенная структура модуля обеспечивает снижениеэнергопотребления бортовой ЦАР на 0,1 – 0,2 дБ (3 – 5 %) в диапазоне частот 1– 18 ГГц, по сравнению с АФАР, использующей коаксиальную разводку и на0,05 – 0,1 дБ (2 – 3 %)в диапазоне частот 10 – 40 ГГц по сравнению с АФАР,использующей волноводную разводку. Определено, что увеличение количестваизлучателей решеток и выходной мощности ППМ приводит к дальнейшемуснижению энергопотребления бортовой РЭС, использующей ЦАР.Существенный вклад в энергопотребление бортовых РЭС вносит оконечный УМ передающего тракта модуля ЦАР, вопросам повышения КПД которогопосвящена Глава 3.

Усилитель мощности в составе приёмопередающегомодуля цифровой антенной решетки. Обеспечение высокого КПД и требуемого уровня выходной мощности в широкой полосе рабочих частот возможнотолько при наличии точных нелинейных моделей транзисторов, входящих в состав УМ.Одним из недостатков существующих моделей мощных СВЧ транзисторов является использование оптимизационных методов, что может привести кнекорректному определению параметров эквивалентной электрической схемы вширокой полосе частот. В главе 3 предложен алгоритм определения параметровмощных СВЧ транзисторов, не требующий использования оптимизационныхметодов, а также нелинейная модель, необходимая для его реализации.Для однозначного определения элементов эквивалентной электрическойсхемы была разработана нелинейная модель транзистора на тестовой плате(ТТП), а затем определены параметры модели транзистора (рисунок 5).Элементы матрицы Z-параметров ТТП, в зависимости от частоты носятрезонансный характер, определяемый резонансными свойствами линий передачв топологии тестовой платы (ТП).

Базовым элементом электрической схемыТТП является последовательный резонансный контур с потерями. Именно такаяструктура отражает реальное поведение транзистора в составе тестовой платы.15Рисунок 5 – Эквивалентная электрическая схема транзистора на тестовой платеДля исключения процесса оптимизации предложено зависимость всехэлементов резонансных контуров от напряжений смещения и питания представить полиномиальными функциями. Тогда номиналы элементов резонансныхконтуров запишем как:,=(∙∙( ! ∙"(,= (# ∙∙ (#! ∙$(,= (% ∙∙ (%! ∙где i – порядковый номер резонансного контура;('='''&11* 00,..0.0,-./!('='''&1!!!,,,(1)1* 00 – векторы-столбцы напряжений затвор..0.0,-./исток и сток-исток соответственно, размерностью16234 ;, ! , # , #! , % , %! – векторы-строки соответствующих полиномиаль-ных коэффициентов размерностью234234 ;– наибольший порядок полинома.Моделирование импульса выходного тока ТТП осуществляется генера-тором постоянного тока.