Диссертация (Модуль бортовой цифровой антенной решетки), страница 7

В зависимости от предъявляемых требований к ЦАР возможнонесколько вариантов построения СВЧ трактов модуля. Определение структурыпередающего и приёмного тракта модуля бортовой ЦАР является актуальнойзадачей, требующей дополнительной проработки.452.1.1. Передающий тракт модуляВ состав СВЧ части передающего тракта входит УМ, содержащий обычноот двух до трех усилительных каскадов и обладающий выходной мощностью от 5до 20 Вт. КПД УМ должен составлять не менее 45%.

СВЧ УМ размещают наотдельной печатной плате, обеспечивающей требуемые уровень СВЧ потерь,волновые сопротивления микрополосковых линий передачи и эффективныйтеплоотвод.В зависимости от вида используемого в ССЧ источника СВЧ сигналавозможнодвавариантапостроенияпередающеготрактамодуляЦАР.Структурная схема передающего тракта с ССЧ на цифровом кольце ФАПЧ и СВЧГУН показана на рисунке 2.6.Входящий в состав ССЧ ГУН вырабатывает СВЧ сигнал, частота которогопропорциональна его входному напряжению. Для стабилизации сигнал с выходаГУНоцифровываетсяипоступаетнаделительсдробно-переменнымкоэффициентом деления (ДПКД), после которого в импульсно-фазовом детекторе(ИФД) сравнивается с опорным высокостабильным низкочастотным сигналом.ИФД вырабатывает напряжение, пропорциональное разнице частот двухсигналов, которое через внешний ФНЧ поступает в качестве управляющего наГУН, стабилизируя частоту его выходного колебания.

Процесс подстройкивыходной частоты ГУН осуществляется до тех пор, пока не будет достигнуторавенство сравниваемых частот.Управление амплитудой и фазой СВЧ сигнала передающего тракта модуляЦАР осуществляется с помощью КМ. Вместе с выходным сигналом ГУН на входКМ поступают дифференциальные синфазные иквадратурные сигналы,представляющие собой последовательность уровней постоянного напряжения,генерируемые в ЦАП под управлением ЦВМ.46KM»| OHM |DIN<DHHI,DIN,1/fleMynbTunneKCop\CCHMAfl\Q,| H 11m |CLK%ICLK yspiiTYH |-ntCLKDIN2YMVnq190"~i|RFQUTOH r•-LOSPY CCH{ ctml-yspiKMРисунок 2.6 – Структурная схема передающего тракта модуля ЦАР с ССЧ на основе цифрового кольца ФАПЧnpCLKHt>AnHH~INMOMMMCjDpOBOM CCHA „cpI HI | »| OHMCLK ,|wfll |Hct>An3yAKKyMyjinTopcba3birmYML(AnOHMIRF-H>OL()11_lOHCLKCLKIpPL,Рисунок 2.7 – Структурная схема передающего тракта модуля ЦАР с прямым цифровым синтезатором и кольцом ФАПЧ*47Стабильность частоты выходного СВЧ сигнала модуля ЦАР определяетсястабильностью опорного низкочастотного цифрового сигнала, поступающего навход ИФД ССЧ, и может быть значительно выше, чем в случае прямогоцифрового ССЧ.

Современные аналоговые ГУН обладают лучшей спектральнойчистотой и уровень побочных составляющих в выходном сигнале достаточнонизкий в сравнении с другими методами синтеза частоты.Использование ССЧ с цифровым кольцом ФАПЧ в передающем трактемодуляЦАРпозволяетбездополнительныхчастотныхпреобразованийформировать СВЧ сигнал вплоть до миллиметрового диапазона длин волн.Использованиетрехустройств(ФАПЧ,ЦАПиКМ)вместоодногоинтегрированного (прямой цифровой ССЧ) обеспечивает большую гибкость вполучении требуемых характеристик по скорости управления АФР (частотадискретизации ЦАП), дискрету фазы и амплитуды (разрядность ЦАП), фазовымшумам (ФНЧ в петле обратной связи ФАПЧ). Недостатком такого подходаявляется увеличение габаритных характеристик передающего тракта модуля ЦАР,а также наличие продолжительного по времени процесса перестройки частоты.На относительно низких выходных частотах (единицы ГГц) и при высокихтребованиях к стабильности частоты возможен вариант построения модуля ЦАР сиспользованием петли цифровой ФАПЧ и прямого цифрового синтезатора вкачестве источника СВЧ сигнала вместо ГУН.

Структурная схема такого вариантапоказана на рисунке 2.7.Сигнал с выхода прямого цифрового ССЧ проходит аналого-цифровоепреобразование и поступает на ДПКД. Напряжение, пропорциональное разницесравниваемых в ИФД частот, после ФНЧ поступает на ПЗУ.

На основевстроенной в ПЗУ перекодировочной таблицы осуществляется формированиеновой выходной частоты для ССЧ. Такая схема путем небольшого увеличениягабаритов (цифровая часть ФАПЧ и ПЗУ) позволяет использовать все достоинствапрямого цифрового синтеза, обеспечив при этом высокую стабильность частоты.48Тем не менее, такой вариант не лишен таких недостатков прямого цифровогосинтеза, как большое энергопотребление и высокий уровень фазовых шумов.Проведённый анализ показал, наиболее оптимальным для бортовой ЦАРвариантом построения передающего тракта модуля ЦАР является ССЧ сцифровым кольцом ФАПЧ, позволяющий обеспечивать хорошую гибкостьструктуры, высокую стабильность частоты и малый уровень фазовых шумов,который можно корректировать подбором амплитудно-фазовой характеристикиФНЧ в ФАПЧ.2.1.2.

Приёмный тракт модуляОдними из основных требований к приёмному тракту модуля ЦАРявляются динамический диапазон, коэффициент шума и чувствительность. Взависимости от перечисленных требований и частотного диапазона возможнонесколько вариантов построения приёмного тракта модуля ЦАР.При высоких требованиях к динамическому диапазону приёмный трактмодуля целесообразно реализовать без частотного преобразования. В этом случаечастота дискретизации АЦП должна быть больше или равна требуемой частотесмены АФР, а эффективная полоса пропускания – больше или равнамаксимальной частоте входного СВЧ сигнала.Современные АЦП, как отечественные так и зарубежные, требуютпредставления входного сигнала в дифференциальной форме.

Существуют двеосновные схемы преобразования одиночного сигнала в дифференциальный – спомощью трансформаторных схем и на операционных усилителях (рисунок 2.8).На низких частотах наиболее распространенным методом является использованиеодного или пары операционных усилителя. Достоинством такого метода являетсятехнологичность (усилители могут быть выполнены в виде МИС или изделий встандартных корпусах) и коммерческая доступность подобных устройств.Недостатком такого метода является малая полоса пропускания (обычно не более492 – 3 ГГц) коммерчески доступных операционных усилителей и высокийреализуемый коэффициент шума (свыше 4-5 дБ).DOUT,-DOUTMynbTunneKCop=I<-KC1MLLiyAL4 narmTpaHccfcopMaTopHancxeMaKaHan|RFIIS,*I<DOUT,oSPIAimCLK(а)OnepauMOHHbiMDOUT,DOUT•<-MynbTnnneKcopK=CDOUT,CLK1AunKaHanrr<-iycMHMTenbrIMiuyonHRFI, N<-ISPIAim(б)Рисунок 2.8 – Структурная схема приёмного тракта модуля ЦАР спреобразованием на несущей при использовании (а) трансформаторной схемы, (б)операционного усилителяПовышение частоты преобразования (СВЧ несущая) и требований кдинамическому диапазону системы приводит к необходимости использованиятрансформаторных схем формирования дифференциального сигнала.Динамический диапазон приёмного тракта дополнительно увеличивается сиспользованием в АЦП дитеринга – подмешивания искусственного шума в сигналАЦП.

При наличии малого СВЧ сигнала (срабатывании только младшего разрядаАЦП) микроконтроллер модуля ЦАР вырабатывает управляющую команду вАЦП на подмешивание в сигнал белого гауссовского шума с известнымистатистическими параметрами, что позволяет увеличить величину входногосигнала на 8 – 10 дБм. Так как разрядность сигнальных процессоров превышаетразрядность АЦП, в результате обработки информации от модуля такой заранееизвестный шум возможно устранить, тем самым повысив эффективныйдинамический диапазон системы на 8 – 10 дБ.50При необходимости оцифровки СВЧ сигнала на частотах свыше 4 – 5 ГГцв приёмном тракте модуля возможно использовать частотное преобразование.Традиционная структурная схема модуля, где в качестве преобразователяиспользуется микрополосковый СВЧ смеситель, представлена на рисунке 2.9.LO,DOUT1-<DOUT|AunMynbTwineKCOpMiuyRFTpaHccJjopMaTopHan1 KaHan*onHcxeMaLNDOUTTCLK InST>TAimРисунок 2.9 – Структурная схема приёмного тракта модуля ЦАР с СВЧсмесителемПреобразование в дифференциальный сигнал в этом случае целесообразнореализовать с помощью трансформаторной схемы, описанной выше.

Суммарныепотери СВЧ смесителя и трансформатора в СВЧ диапазоне составляют не менее14 – 18 дБ в сантиметровом диапазоне длин волн. Для компенсации необходимоувеличивать коэффициент усиления МШУ, что приводит к снижению КПД иухудшению габаритных характеристик модуля ЦАР.

Такая схема построенияприёмного тракта модуля приводит к значительному снижению динамическогодиапазона и возрастанию коэффициента шума.Вместо смесителя в приёмном тракте модуля ЦАР возможно использоватьквадратурный демодулятор (КДМ). Структурная схема в этом случае будетвыглядеть так, как показано на рисунке 2.10.*IrKflM<DOUT ,KDOUT11AL4I1MynbTunneKcopMiuyLO<Dnn2 KaHanaRFINIDOUT,(LKt 5SPI un 1SPI K TMРисунок 2.10 – Структурная схема приёмного тракта модуля ЦАР с квадратурнымдемодулятором51Так как в КДМ используются балансные схемы смесителей, как былоописано ранее, сигнал на их выходе представлен в дифференциальном виде, инеобходимость в дополнительном преобразовании отпадает. Коэффициент шумаКДМ обычно составляет 10 – 14 дБ, что показывает выигрыш в 4 – 5 дБдинамического диапазона (и коэффициента шума) относительно варианта содиночнымсмесителем.НедостаткомиспользованияКДМявляетсянеобходимость наличия двухканального АЦП (в остальных вариантах был нужентолько один канал).Таким образом, оптимальным по электрическим и энергетическимхарактеристикам вариантом построения модуля ЦАР является использованиеССЧ с цифровым кольцом ФАПЧ и приёмный тракт с аналого-цифровымпреобразованием непосредственно на несущей.