Диссертация (Модуль бортовой цифровой антенной решетки), страница 3

Существуют различные схемыпостроения ППМ, учитывающие требуемый частотный диапазон, уровеньвыходной мощности, динамический диапазон и т.д. [10]. Использование того илииного варианта зависит от функций, выполняемых радиоэлектронной системой.Разработчиками ППМ для АФАР в РФ являются НПФ “Микран”, ОАО“НИИПП”, ОАО “НПП “Пульсар”, АО "НПП "Исток" им. Шокина", ЗАО“Микроволновые системы”.НПФ “Микран” обладает целой линейкой ППМ различного частотногодиапазона [11], среди которых выделяются ППМ "Морфей-ВЧА", "Морфей-ММ","Орлик", "Ратэп", "Триумфатор", "Трамплин". Внешний вид модулей представленна рисунке 1.2.»(6)(B )(r )(fl)(e)Рисунок 1.2 – Внешний вид ППМ НПФ “Микран” а) «Морфей-ВЧА»; б)«Морфей-ММ»; в) «Орлик»; г) «Ратэп»; д) «Триумфатор»; е) «Трамплин»16ППМ НПФ “Микран” являются четырехканальными. В качестве основногоцифрового интерфейса взаимодействия с внешней цифровой вычислительноймашиной (ЦВМ) используются LVDS линии (Low Voltage Differential Signal).КаждыйППМсодержитрегистрывнутреннейпамятидляхранениякорректирующих кодов.

Коррекция при этом осуществляется в диапазоне рабочихчастот и температур. Для осуществления цифровой обработки сигналаиспользуется одно или два частотных преобразования в приёмном тракте взависимости от частотного диапазона. Характеристики модулей представлены втаблице 1.1.Таблица 1.1 – Сравнительные характеристики ППМ НПФ “Микран”Характеристика Морфей- Морфей- ОрликВЧАММВыходная0,4 ...

3,05 ... 710 ... 15мощностьпередатчика,ВтКоэффициент54,54,5шумаприемника, дБ,не болееШаг5,61111регулировкифазы, град.Динамический2323,523,5диапазон1,50,750,75регулировкиусиления, дБс шагом, дБРатэпТриумфатор Трамплин5 ... 75 ... 75 ... 74,54,54,51166280,9280,9280,9ОАО “НИИПП” разработал многофункциональный ППМ сантиметровогодиапазона длин волн «М55317» [12]. Модуль разработан на основе современныхGaAs монолитных и гибридно-интегральных схем (МИС и ГИС), чтообеспечивает широкий динамический и температурный диапазоны. Внешний видППМ представлен на рисунке 1.3.17Рисунок 1.3 – Внешний вид ППМ «М55317» ОАО “НИИПП”Диапазон рабочих частот этого ППМ составляет 5 – 16 ГГц.

Габаритныеразмеры ППМ составляют 70 × 64 × 12 мм, масса не более 150 г, ток питания неболее 0,7 А. В ППМ «М55317» используется двойное преобразование частоты вприёмном тракте.Одно из последних направлений в создании ППМ – многоканальные ППМна основе низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC) [13].Данное направление развития широко используется в ОАО «НИИПП», где былразработанприемный модуль на основе LTCC, а в настоящее время идетисследование и разработка передающего модуля и приемо-передающего модуляна LTCC.

Внешний вид модуля представлен на рисунке 1.4.*4 5*4a 8? .>>» •(а)*/*t*jE JI(б)-(в)Рисунок 1.4 – (а) планарная АФАР на LTCC, (б) 16 модулей в составе АФАР, (в)LTCC ППМИспользование LTCC для изготовления СВЧ модулей дает следующиепреимущества:-не требуется дополнительного корпуса, т.е. LTCC сама являетсяобъемным, механически прочным корпусом СВЧ-модуля;18-герметичность, высокая стойкость к внешним воздействиям истабильность параметров;-более высокая, чем у печатных плат, теплопроводность;возможность непосредственной установки и плотной компоновкикристаллов СВЧ МИС и других элементов;-возможностьинтеграциипассивныхэлементов(резисторы,конденсаторы, индуктивности) на внутренних слоях.Каждый приемный модуль ППМ имеет 64 СВЧ-субмодуля, установленныхв узлах гексагональной решетки.

Модули могут соединяться между собой безнарушения шага излучателей решетки, тем самым из них можно составлятьполотноАФАРнеограниченнойплощади.ОбщиехарактеристикиППМпредставлены в таблице 1.2.Таблица 1.2 – Характеристики ППМ на LTCCХарактеристикиЗначениеПолоса рабочих частот, %10Разрядность фазовращателей6Разрядность аттенюаторов5Диапазон регулировки аттенюаторов,25дБКоэффициент шума приёмного тракта,3дБ, не болееПотребляемая мощность, мВт300ОАО “НПП “Пульсар” разработало ряд ППМ L-диапазона для бортовыхАФАР [14].

Модули являются 4-канальными, в каждый ППМ входит сигнальныйпроцессор, осуществляющий управление амплитудой и фазой ППМ, а такжепервичную обработку информации. Выходная мощность ППМ составляет сотниВт, разрядность фазовращателей составляет от 5 до 7 разрядов, диапазонрегулировки аттенюаторов составляет около 25 дБ. Внешний вид ППМпредставлен на рисунке 1.5.19••* *>i•*;"Tf-rc r: r* * * *i*5V>*•<'i5• - •*f•-.•- 0.6•1•( 6)Рисунок 1.5 – Внешний вид ППМ производства ОАО “НПП “Пульсар” (а) – длябортового запросчика L-диапазона, (б) – для РЛС L - диапазонаАО "НПП "Исток" им. Шокина" является также крупным разработчикомППМ для бортовых АФАР [15].

Были разработаны приёмные модули АФАРсантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн, параметры которыхприведены в таблице 1.3.Таблица 1.3 – Сравнительные характеристики приёмных модулей АО "НПП"Исток" им. Шокина"ХарактеристикиX – диапазонKu – диапазонКоэффициент шума, дБ74Коэффициент усиления, дБ2024 – 30Масса модуля, г400160В приёмных модулях осуществляется двойное преобразование частоты,формирование амплитудно-фазового распределение осуществляется управлениемусилением приёмного тракта и фазовым сдвигом фазовращателя. На входахмодулей стоят полупроводниковые устройства защиты. Внешний вид модулейпредставлен на рисунке 1.6.20'\--I(а)(б)Рисунок 1.6 – Внешний вид приёмных модулей АО "НПП "Исток" им. Шокина"(а) – сантиметрового, (б) – миллиметрового диапазона длин волнЗАО «Микроволновые системы», в 2009 году в рамках проводимой ОКРприступило к разработке опытной партии приемо-передающих модулей (рисунок1.7) для бортовой АФАР системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ) [16]..wr, .

i*%-r?;0 1fti>11r 0'« •)-jrIirfi jrMkРисунок 1.7 - ППМ для бортовой АФАР системы РЭБ (ЗАО«Микроволновые системы»)Выходная мощность модуля составляет 1,8 Вт, полоса рабочих частот –более октавы. Управление усилением ППМ осуществляется с помощью 4 –разрядных аттенюаторов.К недостаткам рассмотренных ППМ относится низкий приёмныйдинамический диапазон и малый КПД. Повышение энергоэффективностивозможно осуществить при переходе на новую элементную базу – широкозонныетранзисторы (GaN, SiC).21Компания «Fujitsu Laboratories Ltd» разработала компактный ППМмиллиметрового диапазона длин волн, показанный на рисунке 1.8, используяGaN-технологию [17].fpteb\ GaN transmitter amplifier \OmmGaN receiver amplifier\E|*Pre-amplifierРисунок 1.8. – Внешний вид GaN ППМ «Fujitsu Laboratories Ltd»Размеры приёмопередающего модуля - 12мм × 30мм × 3,3 мм.

Выходнаямощность модуля составляет 20 Вт при КПД превышающем 25%, что составляетв среднем на 10% больше, чем в существующих аналогах на GaAs элементнойбазе.Одной из передовых зарубежных разработок является ППМ LMS6002Dфирмы «Lime Microsystems» [18], фотография которого представлена на рисунке1.9.I:o-> ' =3f1i11:* ••,U4gojI;[ #]Рисунок 1.9 – Фотография ППМ LMS6002D фирмы «Lime Microsystems»22В качестве устройства управления фазой выходного колебания ППМиспользуется квадратурный модулятор, синфазный и квадратурный сигналы навходе которого формируются с помощью встроенных цифро-аналоговыхпреобразователей (ЦАП) из входного 12 – разрядного слова. В обоих каналахрасположены усилители мощности с управляемым коэффициентом усиления.Входнойдемультиплексоросуществляетпреобразованиевходногоинформационного слова из последовательного в параллельный код, чтообеспечивает уменьшение габаритов цифрового интерфейса.В приёмном тракте расположен квадратурный демодулятор, понижаюшийнесущую частоту, после чего осуществляется аналого-цифровое преобразование.ППМ имеет встроенную петлю фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) иширокополосный СВЧ генератор управляемый напряжением (ГУН).

ППМуправляется универсальным последовательным SPI – интерфейсом. Общиехарактеристики ППМ представлены в таблице 1.4.Таблица 1.4 – Характеристики ППМ LMS6002D фирмы «Lime MicrosystemsПараметрЧастота выходного сигнала, ГГцПотребляемый ток, мАВыходная мощность, дБмКоэффициент усиления передатчика, дБДискрет коэффициента усиления передатчика, дБКоэффициент усиления приемника, дБДискрет усиления приемника, дБКоличество бит АЦПКоличество бит ЦАПЧастота дискретизации ЦАП/АЦП, МГцЗначение0,3 – 3,8220 – 2806561611121240Одним из последних достижений в области цифровых ППМ на основепринципа SDR является ППМ AD9364 фирмы Analog Devices [19].

Структура егоповторяет описанную выше структуру ППМ LMS6002D, однако в нем нетдополнительных ЦАП и АЦП для систем автокалибровки. Общие параметрыППМ представлены в таблице 1.5.23Таблица 1.5 – Характеристики ППМ AD9364 фирмы Analog DevicesПараметрЧастота выходного сигнала, ГГцПотребляемый ток, не более, мАКоэффициент шума приёмного тракта, не более, дБРазрядность ЦАП/АЦПЧастота дискретизации ЦАП/АЦП, МГцЗначение0,07 – 62003,81240Проведенный анализ показал, что несмотря на большое разнообразиефирм-разработчиков, структура и функциональный состав ППМ всегда остаетсянеизменным, за исключением ППМ на принципеполупроводниковыхСВЧфазовращателейиSDR.

Использованиеаттенюаторовограничиваетвозможный частотный диапазон ППМ и вносит существенные потери в СВЧсигнал, уменьшая КПД модуля, а значит и всей системы. Потери в модулекомпенсируетсявведениемдополнительныхусилительныхкаскадов,чтоприводит к увеличению габаритных размеров и массы изделия. Погрешности,вносимые современными фазовращателями, не позволяет реализовать системы свысокими требованиями по точности установки луча – интегрированныебортовые РЛС, наземные РЛС дальнего обнаружения, системы спутниковой связии другие.Обзор показал, что наиболее подходящей для реализации всех достоинствЦАР (адаптивность, цифровое формирование ДН) является структура ППМ,основанная на принципе SDR. В состав каждого такого модуля входят АЦП/ЦАП,а также квадратурный модулятор/демодулятор.

Рассмотрим подробнее этиустройства на соответствие их характеристик требуемым в модулях бортовыхЦАР.1.2.Цифровая элементная база приёмопередающих модулейЭлементами любой ЦАР, от параметров которых зависят её точностные иэнергетические характеристики, являются преобразовательные устройства АЦП и24ЦАП [20], а также средства обработки СВЧ сигналов – ЦСП. Важной задачейявляется формирование требований к данным устройствам в составе ЦАР, а такжеанализ существующих промышленных аналогов.Частота дискретизации АЦП и ЦАП определяется шириной спектраизлучаемого сигнала и требуемой скоростью управления амплитудно-фазовымраспределением. В реальных системах АФАР обычно достаточной являетсячастота дискретизации порядка 100 – 200 МГц.ВажнойопределяющийхарактеристикойотношениеЦАРявляетсямаксимальнодинамическийдопустимогоидиапазон,минимальногодетектируемого сигналов.