Диссертация (Модуль бортовой цифровой антенной решетки), страница 10

Порядок их расчетааналогичен описанному выше. Потребляемая мощность ЦАП с частотойдискретизации до 200 МГц составляет около 300 мВт. Реализуемая выходнаямощность ССЧ не превышает 10 мВт. Потери коммерчески доступныхузкополосных КМ в диапазоне до 40 ГГц не превышают 7 дБ. Потребляемаямощность типовых 16-разрядных МК в составе модуля ЦАР не превышает 100мВт.Общая потребляемая мощность ЦАР определяется выражением:ܲʞʝʡʟʥʏʟ ሺ݂ǡ ܰǡ ܲʑʪʤ ሻ ൌ ܰ ή ܲˏˑˇ˖ˎ˟ʥʏʟ ሺ݂ǡ ܲʑʪʤ ሻ(2.26)Проведём сравнительный анализ энергетических характеристик АФАР иЦАР.

На рисунке 2.29 показана частотная зависимость потребляемых мощностейАФАР и ЦАР для случая ܲʑʪʤ ൌ ͷʑ˕, ܰ ൌ ͷͲͲ с использованием (а) -коаксиальной и (б) – волноводной разводки.2520PAOAP, KBTPAOAP, KBTPLLAP OAfN, KBTPnL1AP OAflM, KBTPL1AP npqMOM CCM, KBTN=500PBb X=3.5 BTN=500P , , =3.5 BT|301520105510HacTOTa, rTu(а)103020HacTOTa, rru(б)Рисунок 2.26 – Потребляемые мощности АФАР и ЦАР69t.pUAflCCMPoCMMKLPMKjyioflyrib IJAPM3nyHaienbP BbIXMAflYcnjiMTejibHbie KacKaflbi_CLKAHTeHHbIMpMonyjibUAPlKYM1 YM2CTU3CTL4KMCTU2 -(V YMKc:CM_KMKKMKK;M_YMnI_YM IKnn;M, _1KyMN Li>-YMYMK _2IXYMKyM NKnflyM_NimM_2_AqnPAU, nРисунок 2.27 – Структурная схема модуля ЦАРIL|UCTMN 2+IJKA,70ЗасчетуменьшенияКПДУМивозрастанияпотерьвСВЧраспределительной системе при увеличении частоты несущего колебания,наблюдаются области, в которых энергетически ЦАР оказывается выгоднееАФАР. Использование прямого цифрового ССЧ в силу высокого потреблениямощности, оказывается менее энергоэффективным, поэтому в дальнейшем всесравнения осуществляются с вариантом модуля на основе цифровой петли ФАПЧ.Дляопределенияусловийэнергетическоговыигрышанеобходиморассмотреть влияние различных параметров антенной решетки на частотныйсдвиг данных областей.

Для этого в дальнейшем оперируем следующейвеличиной:ܲʞʝʡʟʏʣʏʟ ሺ݂ǡ ܰǡ ܲʑʪʤ ሻ(2.27)݀ܲʞʝʡʟ ሺ݂ǡ ܰǡ ܲʑʪʤ ሻ ൌ ͳͲ Ž‘‰ ቆቇ ǡ ˇʐܲʞʝʡʟʥʏʟ ሺ݂ǡ ܰǡ ܲʑʪʤ ሻПоложительное значение ݀ܲ показывает энергетический выигрыш ЦАР, вто время как отрицательное значение показывает выигрыш традиционной АФАР.Частота, начиная с которой потребление мощности ЦАР оказывается меньшеАФАР, в дальнейшем будем называть граничной.Влияние ܲʑʪʤ передающего тракта модуля на отношение потребляемоймощности АФАР и ЦАР представлено на рисунке 2.28 для (а) – коаксиальной и(б) – волноводной разводки.0.40.2625dPn,flB0.35PBblx=2 BTPBblx=3.5 BTPBblx=5 BTPBblx=10 BTdPn110.22N=5000.1251 5flBPBbix=2 BTPBblx=3.5 BTPBbix=5 BTPBb,x=10 BTN=5000.09a0.0125-0 . 1 5,-0.04_10HacTOTa, I Tu(а)1518-Inn*'i o2030Hacmra, r ru(б)Рисунок 2.28 – Частотная зависимость ݀ܲʞʝʡʟ при различных значениях ܲʑʪʤ4071Повышение выходной мощности ППМ приводит к более раннему почастоте выигрышу ЦАР по энергетическим характеристикам.

Это связано с темфактом, что потребление мощности ЦАП и МК не зависит от увеличения частотынесущего колебания, а потребление ССЧ меняется достаточно слабо. В случае 500– элементной антенной решетки, при ܲʑʪʤ ൌ ͵ǡͷʑ˕ рассматриваемый вариантпостроения модуля ЦАР оказывается более энергоэффективным начиная с 10,5ГГц для коаксиальной и 12,8 ГГц для волноводной разводки.Влияние количества элементов антенной решетки на ݀ܲʞʝʡʟ представленона рисунке 2.29 для (а) – коаксиальной и (б) – волноводной разводки.dPPnOTpi A &0.150.0880.15N =100N=500N =1000N =2000PBb =3.5 BT0.10.0250.05-0 . 0 3 80.I-0.11 510H a c T O T a, I T uN=100N=500N=1000N=2000PBblx=3.5 BT.fPr1115184-0.05 10i(а)3020HacTOTa, rru40(б)Рисунок 2.29 – Частотная зависимость ݀ܲʞʝʡʟ при различных значениях ܰУвеличение количества элементов антенной решетки приводит кнесущественномусмещениюграничнойчастотыначалаэнергетическоговыигрыша ЦАР в область низких частот.

Для случая возрастания N с 100 до 1000,смещение частоты составило 7 ГГц для коаксиальной и 3,7 ГГц для волноводнойразводки.Существенное влияние на энергетику АФАР оказывают размеры СВЧраспределительной системы, определяющиеся масштабирующим коэффициентом‫ܭ‬௅ в (2.24). Влияние ‫ܭ‬௅ на энергетику ЦАР показано на рисунке 2.30.72gtfdl0udPS I.= )Hz*003 K0ias- e =500dI II I II I51IIJJ BXOXDBf015 0 0-,Рисунок 2.30 – Частотная зависимость ݀ܲʞʝʡʟ при различных значениях ‫ܭ‬௅ длякоаксиальной разводкиУвеличение требуемой длины коаксиальных кабелей (увеличение потерь враспределительной системе и повышение потребляемой мощности единогоисточника СВЧ сигнала) приводит к смещению граничной частоты в областьнизких частот.

При необходимости длинных коаксиальных кабелей (наземныеРЛС дальнего обнаружения, астрономические системы) с ‫ܭ‬௅ ൐ ͳ предложеннаяструктура ЦАР оказывается более энергоэффективна начиная с 10,5 ГГц.ППМ АФАР кроме передающего и приёмного тракта обычно содержат МКи ПЗУ, хранящие корректирующие коды для фаз и амплитуд выходного сигнала.Это позволяет осуществлять калибровку ППМ в частотной области, обеспечитьтемпературную компенсацию (уход фазы УМ в зависимости от температурыполупроводникого кристалла).

В области высоких частот в АФАР частоиспользуются многоканальные ППМ, позволяющие сократить потери в разводкеСВЧ сигнала, а также улучшить массогабаритные характеристики системы ППМвцелом.РассмотримвлияниемногоканальнойархитектурыППМнаэнергетические характеристики АФАР и ЦАР. Многоканальный модуль ЦАРцелесообразно реализовывать с единым ССЧ и МК на все каналы. КоличествоКМ, ЦАП и АЦП при этом будет эквивалентно количеству каналов. Влияниеколичества каналов в каждом модуле на энергетические характеристики АФАР иЦАР представлено на рисунке 2.31.73IITIITLL LL LLr r =_r a TOLLT=T l1_= l1_= Lro ii•[LO o- in- co~ oLOIIII II1dPnoTP M i lTLL Z CL<No%ro.\1\AjO11.o2CQCQEEOX§a*oCQ5OOJ*cSРисунок 2.31 – Зависимость ݀ܲʞʝʡʟ при разном количестве каналовв составе ППМ и несущей частотеИз полученных зависимостей видно, что использование многоканальныхмодулей ЦАР приводит к существенному смещению граничной частотыэнергетического выигрыша ЦАР в область низких частот.

Замена традиционных4-канальных ППМ на 4-канальные модули предложенной структуры даетсущественный выигрыш по энергетике многоэлементной ЦАР, начиная с ܲʑʪʤ ൌʹʑ˕ при частотах свыше 12 ГГц.Выводы1.Предложенаструктураприёмопередающегомодуля,позволяющаяуменьшить габариты и массу многоэлементной бортовой ЦАР за счетисключенияСВЧраспределительнойсистемыиуправляемыхфазовращателей.2.Рассмотрена аналитическая модель формирователя сигналов, позволившаяоценить влияние ошибок ССЧ и КМ на выходной сигнал модуля исформировать требования к амплитудно-фазовому балансу КМ и уровнюспектральной плотности шумов СВЧ генератора несущей – ССЧ сцифровым кольцом ФАПЧ.3.Построенамодель,энергопотребленияструктуройпозволяющаятрадиционноймодуля.РезультатыпровестиАФАРисравнительныйЦАРмоделированиясанализпредложеннойпоказали,что74предложеннаяструктурамодуляобеспечиваетснижениеэнергопотребления бортовой ЦАР на 3 – 5 % в диапазоне частот 1 – 18 ГГцпри использовании коаксиальной разводки и на 2 – 3 % в диапазоне частот10 – 40 ГГц при использовании волноводной разводки.

Увеличениеколичества излучателей и требуемой выходной мощности приводит кдальнейшему уменьшению энергопотребления.4.Наибольшее влияние на энергопотребление ЦАР оказывает оконечныйусилитель мощности в составе передающего тракта, КПД которогоопределяет возможность использования предложенного модуля в составебортовой ЦАР.753.Усилитель мощности в составе приёмопередающего модуля цифровойантенной решеткиОсновным элементом аналоговой части передающего тракта модуля ЦАР,определяющим его энергетическую эффективность, является УМ.Наиболееважными характеристиками УМ в составе бортовых ЦАР являются:·уровень выходной мощности;·КПД и эффективность системы отвода тепла;·габаритные размеры и масса;·равномерностькоэффициентаусиленияпомощностиифазовойхарактеристики в полосе рабочих частот;·уровень фазовых шумов.Габаритные размеры модуля определяются возможностью размещения ихв антенной решетке.

Проблема миниатюризации решается при исполнениимодуля в виде МИС или ГИС, что в свою очередь, вследствие малых размеровполупроводниковыхэлементов,тепловыделениюнеобходимостииприводиткприменениябольшомуэффективныхлокальномуустройствохлаждения.Одним из основных требований к усилителю в составе модуля ЦАРявляется его КПД, который должен составлять не менее 50%. Значение КПД всегомодуля определяется тепловыми характеристиками оконечных усилителей,режимом их работы, материалом используемой подложки (GaAs, Al2O3, Si, AlN,BeO) и типом транзистора (GaAs, GaN, SiC, InP).

Для получения высокихзначений КПД транзистор должен работать в нелинейном режиме, что приводит кснижению усиления, появлению высших гармоник, искажению выходногосигнала. Вследствие тенденции к увеличению полосы передаваемого сигнала(широкополосныесистемырадиоэлектронногопротиводействия,сверхширокополосные локаторы зондирования местности, интегрированные76антенныекомплексы),фильтрациятакихгармоникпутемстановитсязатруднительной.Реализация многолучевой работы, повышение информативности РЭС иинтеграция антенных систем требуют повышения энергетического потенциалаЦАР, что приводит к увеличению средней выходной мощности модуля страдиционных 5-10 Вт до 20-30 Вт [66].

Достижение такой выходной мощностина GaAs транзисторах, вследствие больших потерь на сложение мощности ипотенциально невысокого электронного КПД (до 45% в сантиметровом диапазонедлин волн), является сложной задачей, особенно при её осуществлении на бортуЛА в условиях жестко ограниченного энергопотребления.Технологии, используемые до настоящего времени в проектировании УМ,такие как Si-LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductors – смещенодиффузионная МОП технология) или GaAs pHEMT (pseudomorphic High ElectronMobility Transistor – псевдоморфные транзисторы с высокой подвижностьюэлектронов), достигли своего предела [67].

Интенсивные исследования в областиполупроводниковыхматериаловвпоследниегодысделаловозможнымразработку технологий изготовления устройств на новых широкозонныхматериалах, таких как GaN и SiC.Большое внимание в настоящее время уделяется разработке УМ наAlGaN/GaN pHEMT, имеющих высокую граничную частоту (десятки ГГц),большое напряжение пробоя (более 100 В), высокие плотности мощности наединицу ширины затвора (до 30 Вт/мм) и работоспособных при высокойтемпературе канала (плюс 250°С).