Диссертация (Модуль бортовой цифровой антенной решетки)

MOCKOBCKHH ABMAIJHOHHblH HHCTHTYT(HAIJHOHAJIbHbffl MCCJIE OBATEJIbCKHH YHHBEPCHTET)Ha npaBax pyiconHCHMajiaxoePoMaH IOpbeBHHMOAYJIB EOPTOBOH IJIKPPOBOH AHTEHHOH PEII1ETKMCneunajibHocTb : AHTCHHEI , CBH- ycTpoMcTBa H HX TexHOJiorHHlUHOP: 05.12.07flHCcepTapHflHayHHbiiiHa concKamie yneHOH CTeneHH KaH H aTa TexHHHecKHx HayxpyKOBoHTejib: K .T . H . , flopeHT o6biHHHa EjieHa MuxaSnoBHaMocKBa - 20152СодержаниеВведение ........................................................................................................................... 41. Анализ требований к составным элементам приёмопередающего модуляцифровой антенной решетки ........................................................................................

141.1. Анализ современного состояния приёмопередающих модулей антенныхрешеток ........................................................................................................................... 141.2. Цифровая элементная база приёмопередающих модулей ............................... 231.3. Квадратурный модулятор в качестве устройства управления амплитуднофазовым распределением цифровой антенной решетки ........................................... 272.

Приёмопередающий модуль цифровой антенной решетки ............................... 352.1. Обоснование структуры модуля ........................................................................ 402.1.1. Передающий тракт модуля .............................................................................. 452.1.2. Приёмный тракт модуля ..................................................................................

482.2. Амплитудно-фазовые ошибки передающего тракта модуля .......................... 512.3. Анализ энергетических характеристик антенной решетки на основецифровых приёмопередающих модулей .................................................................... 613. Усилитель мощности в составе приёмопередающего модуля цифровойантенной решетки .......................................................................................................... 753.1. Влияние точности определения параметров транзисторов на частотныехарактеристики усилителей мощности ....................................................................... 793.2. Моделирование мощного СВЧ транзистора .....................................................

833.2.1. Алгоритмы определения параметров мощного СВЧ транзистора .............. 853.2.2. Нелинейная модель мощного СВЧ транзистора на тестовой плате ............ 883.3. Методика определения параметров мощного СВЧ транзистора .................... 933.3.1. Определение номиналов элементов, моделирующих контактныеплощадки транзистора .................................................................................................. 953.3.2.

Определение номиналов элементов резонансных контуров........................ 984. Экспериментальные исследования элементов цифрового приёмопередающегомодуля ........................................................................................................................... 1084.1. Измерение и расчет параметров транзисторов на тестовой плате ............... 1084.2. Верификация результатов нелинейного моделирования мощного СВЧтранзистора ..................................................................................................................

1174.3. Разработка усилителя мощности передающего тракта цифровогоприёмопередающего модуля ...................................................................................... 12234.3.1. Разработка предварительного GaN усилителя мощности .......................... 1234.3.2. Разработка топологии оконечного GaN усилителя мощности .................. 1264.3.3. Изготовление и измерение параметров предварительного усилителямощности......................................................................................................................

1294.4. Разработка элементов цифрового приёмопередающего модуля .................. 1364.4.1. Формирователь сигнала передающего тракта ............................................. 1384.4.2. Цифровая часть приёмного тракта................................................................ 1414.4.3. Технико-экономические обоснование разработки модуля ........................ 142Заключение ..................................................................................................................

144Список используемых сокращений ........................................................................... 146Список литературы ..................................................................................................... 1484ВведениеСовременные бортовые радиоэлектронные системы (РЭС) находятся вбыстро меняющейся радиотехнической обстановке, поэтому их функциональныевозможностидолжныобеспечиватьгибкоеизменениехарактеристиквзависимости от режима работы.Задача комплексирования функций, выполняемых антенной системой,возникает при разработке бортовых многофункциональных радиолокационныхсистем (РЛС), осуществляющих обнаружение, сопровождение и идентификациюобъектов,атакжеприсовмещениифункцийРЛСисистемырадиопротиводействия в одной антенне [1 – 4].Применение активных фазированных антенных решеток (АФАР) вмногофункциональных бортовых РЭС выдвигает ряд технических и научныхпроблем: обеспечение высокого уровня излучаемой мощности с ограниченнойапертурыАФАР[5];построениенадежныхполупроводниковыхприемопередающих модулей (ППМ) на активных элементах с высокими КПД икоэффициентом усиления по мощности и стабильной фазовой характеристикой вширокой полосе частот, минимально возможным уровнем внеполосногоизлучения; разработка методов проектирования с учетом минимизации массы,габаритов, стоимости.Существенное изменение входных сопротивлений излучателей присканировании и смене режима работы АФАР обуславливает изменениехарактеристик активных элементов модуля и может нарушить их устойчивость.Это обстоятельство надо учитывать при проектировании выходных мощныхкаскадов передающей части ППМ.Необходимо отметить наиболее важные проблемы построения различногокласса бортовых многофункциональных радиосистем:˗ создание новых схем построения АФАР на основе перспективнойполупроводниковой цифровой элементной базы, обеспечивающих возможностьсовмещения ряда функций в одной антенной системе;5˗ разработка оптимальных методов управления частотой, амплитудойифазой сигналов в АФАР;˗ оптимизация характеристик АФАР, создаваемых на специализированнойцифровой элементной базе;˗ увеличение излучаемой мощности и КПД при расширении полосырабочих частот, уменьшение массы, габаритов, стоимости ППМ.Многофункциональность РЭС достигается переходом на цифровоедиаграммообразование (ЦДО), при котором решетка становится цифровой (ЦАР)[6 – 7].

Использование ЦДО позволяет повысить помехозащищенность РЭС, еёдинамическийдиапазон,скоростьуправленияамплитудно-фазовымраспределением (АФР).В настоящее время в мире ведутся активные работы по исследованиюструктуры приёмопередающего модуля цифровой антенной решетки, а также егосоставных элементов – аналого-цифровых преобразователей (АЦП), цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) и других [8]. В основном они касаютсяантенных 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 должноговнимания.Вопрос выбора структуры модуля для многоэлементных бортовых ЦАРявляетсямалопроработаннымитребуетдополнительногоанализа.Использование ЦДО в этом случае сдерживается не только сложностьюцифрового управления и синхронизации, но также и большой потребляемоймощностью модуля, 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 сигналаприводят к возрастанию энергопотребления возбудителя, особенно в случаереализации многолучевой ДН.

Управляемые фазовращатели и аттенюаторы в6передающем тракте и АЦП в приёмном тракте модулей дополнительноувеличивают уровень потребляемой мощности и амплитудно-фазовые ошибкипри формировании ДН ЦАР, что является недопустимым для бортовых РЭС.Существенное влияние на энергопотребление РЭС оказывает оконечныйусилитель мощности в составе передающего тракта модуля ЦАР. Достижениевысокого КПД усилителя возможно только при наличии точной нелинейноймодели транзисторов, 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 антенныхрешеток и их составных элементов таких авторов, как Воскресенский Д.И.,Иммореев И.Я., Слока В.К., Евстропов Г.А., Слюсар В.И.

Основное их вниманиенаправлено на проблемы разработки приёмных ЦАР, в первую очередь наземногобазирования.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., Магил E.,по разработке ППМ, в состав которых входят прямые цифровые синтезаторысетки частот (ССЧ). Однако уровень фазовых шумов и побочных составляющих втаких модулях являются недопустимыми для использования в доплеровскойрадиолокации.Цельюработысхемотехническойявляетсяреализацииразработкапринциповприемопередающегомодуляпостроениядляибортовойцифровой антенной решетки многофункциональной радиоэлектронной системы, атакже разработка моделей и путей создания новых устройств, позволяющих7снизить энергопотребление, массу и размеры модуля за счет использованиявысокоэффективных технологий и методов моделирования.Для достижения поставленной цели в диссертационной работенеобходимо было решить следующие задачи:1.Выбратьпринциппостроенияисхемотехническуюреализациюприемопередающего модуля для цифровой антенной решетки бортовоймногофункциональнойрадиоэлектроннойсистемы,работающейвусловиях ограниченного энергопотребления, имеющей минимальныемассу и размеры.2.ПровестиоценкуэнергетическиххарактеристикЦАРнаосноверассматриваемой структуры модуля и сравнение их с АФАР традиционнойархитектуры.3.Выбрать метод нелинейного моделирования процессов в мощныхмногосекционных псевдоморфных СВЧ транзисторах, позволяющийинтерпретировать результаты их экспериментальных исследований.4.Создать нелинейную модель транзистора, позволяющую находить егооптимальный режим для достижения высокого КПД и требуемогоусиления в широкой полосе рабочих частот.5.Провести экспериментальные исследования мощных СВЧ усилителей напсевдоморфныхтранзисторахдляподтверждениявозможностииспользования 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,матричныеуравнений,теорияметодырешенияматричногосистемописаниялинейныхантенниалгебраическихустройствэлектродинамическое моделирование СВЧ устройств методом моментов.СВЧ,8Научная новизна1.Предложена схемотехническая реализация приемопередающего модуляцифровой антенной решетки, позволяющая снизить энергопотреблениебортовой многофункциональной радиоэлектронной системы за счетиспользования в каждом модуле синтезатора сетки частот с цифровымкольцом ФАПЧ.2.РазвитметоднелинейногомногосекционныхмоделированияпсевдоморфныхСВЧпроцессовтранзисторахвмощныхнаосновекоторойучтенарезультатов их экспериментальных исследований.3.Предложенанелинейнаямодельтранзистора,взависимость режима от совокупности параметров, влияющих на егоосновные энергетические характеристики.4.Разработанаметодикаопределенияэлементовэквивалентнойэлектрической схемы мощного СВЧ транзистора, позволяющая увеличитьточность определения его параметров по сравнению с существующимиметодиками.Основные положения, выносимые на защиту1.