Диссертация (Модуль бортовой цифровой антенной решетки), страница 2

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 основепараллельных резонансных контуров, обеспечивающая более высокуюточность 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.9Практическая значимость результатов работыПолученные в процессе работы над диссертаций результаты могут статьосновойдляразработкибортовыхЦАРмногофункциональныхРЭС,обеспечивающих более высокие энергетические характеристики.Предложенный в работе алгоритм определения параметров мощных СВЧтранзисторов и нелинейная модель могут послужить основой для разработки СВЧусилителей мощности, обладающих повышенным КПД и уровнем выходноймощности в широком диапазоне рабочих частот.

Проведена разработка иэкспериментальныеисследованиямакетовмощныхСВЧусилителей,подтверждающие повышение КПД и выходной мощности за счет использованияпредложенного 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-интегральных GaNусилителей мощности сантиметрового диапазона длин волн.Научные результаты диссертационной работы были использованы напредприятии ФГУП «ЦНИРТИ им.

академика А.И. Берга» и в НЦ СРМ МАИ приразработке многофункциональной бортовой радиолокационной системы.Представленные в диссертационной работе научные и практическиерезультаты внедрены в учебный процесс на кафедре “Радиофизика, антенны имикроволновая техника” МАИ. Они использованы при чтении лекций ипроведении практических занятий по дисциплине «Передающие модули СВЧ иоптического 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 корректностьюисходных положений, приближений и преобразований, использованием широко10известногоиапробированногоматематическогоаппарата, компьютерныхпрограмм, а также экспериментальными исследованиями и разработками.Апробация результатов работыОсновные результаты работы докладывались и обсуждались на следующихконференциях:Международных научно-практических конференциях:-10-ойи11-ойМеждународнойконференции«Авиацияикосмонавтика», г.

Москва, 2011 г., 2012 г.-9-ой Международной молодежной научно-технической конференции«Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций», г. Севастополь,2012 г., 2013 г.-23-ой и 24-ой Международной Крымской конференции «СВЧ-техникаи 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 AeronauticalSciences (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;-Московскоймолодёжнойнаучно-практическойконференции«Инновации в авиации и космонавтике – 2012», г. Москва, 2012;-I Всероссийской микроволновой конференции, г.

Москва, 2013;-III межвузовской студенческой конференции «Научная сессия –современная радиоэлектроника», г. Москва, 2014;ПубликацииРезультатыисследований,проведённыхвпроцессевыполнениядиссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах, из них 6 научныхстатей в журналах из перечня ВАК, 11 тезисов докладов и одно учебное пособие.11Личный вкладВсепредставленныеэкспериментальныеданныевдиссертацииполученырезультатыличноисследованийавторомлибоприиегонепосредственном участии.Структура и объём работыДиссертационная работа изложена на 156 машинописных листах и состоитиз введения, четырех глав, заключения, списка используемых сокращений, спискалитературы и приложения. Иллюстративный материал представлен в виде 97рисунков и 20 таблиц. Список литературы включает 96 наименования.В главе 1 проведён обзор структур ППМ антенных решеток, а также ихсоставных элементов.

Анализ показал, что, несмотря на большое разнообразиефирм-разработчиков,структураППМобычноостаетсянеизменной,заисключением ППМ на принципе SDR (software-defined radio), которые внастоящее время не используютсяПолупроводниковыеСВЧв бортовыхфазовращателиимногоэлементных ЦАР.аттенюаторыограничиваютвозможный частотный диапазон ППМ и уменьшают КПД модуля. Потерикомпенсируется введением дополнительных усилительных каскадов, приводящихк увеличению габаритных размеров и массы изделия.Увеличение КПД модуля ЦАР возможно осуществить при использованииквадратурного модулятора (КМ) в качестве устройства управления амплитуднофазовым распределением на передачу в ЦАР. Разрядность и полоса входного СВЧсигнала современных коммерчески доступных АЦП позволяет обеспечитьпреобразование непосредственно на несущей частоте в приёмных трактах ППМвплоть 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 электрическиехарактеристики бортовых антенных решеток, является актуальной задачей.12Для снижения энергопотребления бортовой РЛС в главе 2 предложенаструктура ЦАР, в которой отсутствует система распределения СВЧ сигнала.

СВЧвозбудитель входит в состав каждого модуля, а распределительная системастановится полностью цифровой.Для обеспечения малого уровня фазовых шумов в качестве возбудителя вмодуле ЦАР предложено использовать синтезатор сетки частот (ССЧ) сцифровым кольцом фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Когерентностьмодулей реализуется общим в ЦАР генератором тактовых импульсов (ГТИ),стабильность которого определяется опорным кварцевым генератором (ОКГ).Была осуществлена оценка энергетических характеристик ЦАР на основерассматриваемой структуры модуля, позволившая провести сравнение с АФАРтрадиционной архитектуры (цифровой приёмный тракт, фазовращатель иаттенюатор в передающем тракте).

В качестве основного критерия была выбранаобщая потребляемая мощность антенной решетки. Сравнение проводилось сАФАР, использующей коаксиальную (от 1 до 18 ГГц) и волноводную (от 10 до 40ГГц) систему распределения СВЧ сигнала.Показано, что предложенная структура модуля обеспечивает снижениеэнергопотребления бортовой ЦАР на 0,1 – 0,2 дБ в диапазоне частот 1 – 18 ГГцпри использовании коаксиальной разводки и на 0,05 – 0,1 дБ в диапазоне частот10 – 40 ГГц при использовании волноводов. Было определено, что увеличениеколичестваизлучателейитребуемойвыходноймощностиприводиткдальнейшему относительному уменьшению энергопотребления.СущественныйвкладвэнергопотреблениебортовыхЦАРвноситоконечный УМ передающего тракта модуля, вопросам повышения КПД которогопосвящена глава 3.

Обеспечение высокого КПД и требуемого уровня выходноймощности в широкой полосе рабочих частот возможно только при наличииадекватной нелинейной модели транзисторов, входящих в состав УМ.Одним из недостатков существующих моделей мощных СВЧ транзисторовявляется использование оптимизационных методов, что может привести к13некорректному 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.Глава 4 посвящена экспериментальным исследованиям мощных GaAs иGaN транзисторов, а также вопросам технологии и изготовления СВЧ УМ на ихоснове.

Осуществлена верификация алгоритма определения параметров мощныхотечественных и зарубежных СВЧ транзисторов. Полученные нелинейные моделибыли использованы для проектирования СВЧ усилителей мощности и результатыихэкспериментальныхисследованийподтвердилипрогнозы, полученныерасчетным путем, что говорит о корректности предложенного алгоритма.141.Анализ требований к составным элементам приёмопередающегомодуля цифровой антенной решеткиУ АФАР и ЦАР есть отличие, которое изменяет построение решетоккоренным образом. В ЦАР используется цифровая система синтеза и анализасигналов–цифровоймодуль.Выбороптимальнойструктурыприёмопередающего модуля ЦАР невозможен без анализа современногосостояния модулей.1.1.Анализ современного состояния приёмопередающих модулей антенныхрешетокОсновой традиционной АФАР является приёмопередающий модуль,структурная схема которого представлена на рисунке 1.1.ycTp.3 aLlJUTblYnpaBJieHne aMnjinTyflHWMpacnpefleneHneMYnpaBneHne 4>a30BbiMMLLiyATT.YOBY<DBYnpaBJieHne cpa30BbiMpacnpefleneHneMpacnpefleneHneMYnpaBneHne aMruwryflHbiMATT/\pacnpefleneHneMTРисунок 1.1 – Структурная схема традиционного ППМ АФАРВ состав ППМ входит излучатель, приёмный и передающий тракты.Развязка между трактами осуществляется с помощью ферритового илиполупроводникового циркулятора.

Требуемую выходную мощность передающеготракта обеспечивает полупроводниковый СВЧ усилитель мощности. Устройствозащиты в приёмном тракте обеспечивает необходимую защиту по входноймощности. Малошумящий усилитель (МШУ) обеспечивает повышение мощностивходного СВЧ сигнала до уровня, достаточного для детектирования и15оптимальной обработки. Управление фазовым и амплитудным распределением наприёмипередачуосуществляетсяспомощьюполупроводниковыхфазовращателей и аттенюаторов с цифровым управлением и реализуемымдискретом до 11,250 и 0,5 дБ соответственно [9].