Диссертация (Модуль бортовой цифровой антенной решетки), страница 9

Наличие вкаждом цифровом модуле ССЧ, КМ и ЦАП требует анализа энергетическиххарактеристик ЦАР и их сравнения с аналогичными показателями АФАРтрадиционной архитектуры (цифровой приёмный тракт, фазовращатель иаттенюатор в передающем тракте, СВЧ распределительная система).В качестве основного сравнительного критерия выбрана потребляемаямощность антенной решетки, за исключением мощности, потребляемой ЦСП иЦВМ. Сравнение осуществлялось в частотном диапазоне от 1 до 40 ГГц. Дляпроведения сравнительного анализа были выбраны модель антенной решетки страдиционной структурой и модель ЦАР с предложенным модулем.Исходными данными для расчета моделей АФАР и ЦАР служилитребуемая выходная мощность передающего модуля (ܲʑʪʤ ) и количествоэлементов в антенной решетке.

В дальнейшем полагаем, что антенная решеткаимеет равномерное амплитудное распределение.Основными потребителями мощности в АФАР являются ППМ и единыйвозбудитель СВЧ сигнала. Структурные схемы ППМ АФАР и распределительнойсистемы представлены на рисунках 2.20 и 2.21 соответственно.В качестве устройств управления АФР АФАР в ППМ выступаютфазовращатель (ФВ) и аттенюатор (АТ), представленные в модели ППМсоответствующими коэффициентами передачи, учитывающие потери СВЧмощности, проходящей через них. Коэффициент передачи ФВ не имеет частотнойзависимости и постоянен для всех значений реализуемых фазовых сдвигов. Вкачестве коэффициента передачи АТ берутся его потери, не зависящие от частотынесущего колебания и выставленного ослабления.62ipnoTPAHTeHHbMnriMnrnviM 3JiyHaienbPBbIXycmimenbHbie KacKaflbiPBX nnM>/OB*CTL-h/K,OB AT,KOBAT*ICTM2\KA T Y MK,ATK.YM1_YM2K.YMN_L|'±1 YMCTI4i3KXYM_2YM_11 KnflyMJllCTL4N+2YMII1>KAMIYM N.

_NKnflYMKflfliYM_2K,MJAI4I1pAqnLРисунок 2.20 – Модель ППМ АФАРCBM pacnpeAenuTenbHaa_YM2YMNyM1CTMKCCM_YM'CCMCTMKyM_iKnfl:IYM_VMYM_2IKI"lflyM 2Kn, _BblXKnxn_BXEflMHbiM MCTOHHUK CBM cwmanaCCMcucieMaVMllCBMCBMCBMnepexoflTpaKTnepexoflICTMN 1)1flenmenbMOLAHOCTUa , AB/ ML, MYM_NKnflyM NKP, AcnpLРисунок 2.21 – Структурная схема вобудителя СВЧ сигнала в АФАРPBX nnMIf63На основании обзора ведущих зарубежных и отечественных фирмизготовителей ФВ и АТ [11, 15, 52 - 55] было определено, что типовымизначениями потерь полупроводниковых узкополосных устройств управленияАФР с количеством разрядов большем или равном пяти, в диапазоне частот до 40ГГц являются 4 дБ для ФВ и 4 дБ для АТ.Усилители мощности (УМ) в модели ППМ представлены в видекоэффициентов усиления (КУ) по мощности и КПД. Требуемое в модулеколичество усилительных каскадов рассчитывалось исходя из заданной ܲʑʪʤ приусловии ܲʑʤ ൌ ͳͲˏʑ˕ሺͳͲˇʐˏሻ, где ܲʑʤ – входная СВЧ мощность ППМ.Для упрощения анализа предполагалось, что КУ всех каскадов не зависитот уровня выходной мощности и находится в диапазоне ʙʢெ஺௑ ሺ݂ሻ െ ͵ ൑ ʙʢሺ݂ሻ ൑ʙʢெ஺௑ ሺ݂ሻǡ ˇʐ.

Определение минимального количества каскадов осуществлялосьитеративным методом с учетом потерь в согласующе-трансформирующих цепях(СТЦ) при условии равенства всех КУ и нахождения их в выбранном вышедиапазоне.Коэффициент усиления по мощности СВЧ УМ определяется типомтранзистора и частотой. Аналитическая зависимость максимально допустимогоКУ УМ для технологии псевдоморфных гетероструктурных транзисторов(pHEMT), использованная при построении модели, показана на рисунке 2.22.14KY, ABpHEMT1210864103020HacTOTa, ITu40Рисунок 2.22 – Зависимость КУ УМ от частоты64Коэффициент полезного действия усилителя предопределяется типомиспользуемогополупроводниковогоматериала.Внастоящеевремяприразработках УМ используются транзисторы на GaAs и GaN (см.

глава 3). Наосновании обзора ведущих зарубежных и отечественных фирм-изготовителей УМ[11, 15, 16, 52, 53, 56 - 62] была определена частотная зависимость КПД с учетомтипа используемого транзистора (рисунок 2.23), которая использовалась примоделировании. В модели предполагается, что КПД всех УМ одинаков иопределяется лишь частотой и полупроводниковым материалом.0.8Kllfl GaAsKnfl GaN0.60.40.201030204acT0Ta, ITu40Рисунок 2.23 – КПД УМ в зависимости от частоты и типа транзистораВ качестве устройства развязки приёмного и передающего тракта ППМвыступает циркулятор (Ц), потери которого в модели также не зависели отчастоты и равнялись 0,3 дБ. Полагалось, что антенный излучатель (АИ)согласован с циркулятором по уровню КСВ равном 1,2.Потребление приёмного тракта ППМ по сравнению с передающим трактомявляется малой величиной и учитывается только мощностью, потребляемой АЦП.Для АЦП с частотой дискретизации менее 100 МГц уровень потребляемоймощности составляет обычно не более 0,5 Вт.Коэффициенты передачи всех СТЦ рассчитывались на основе значениявходного КСВ последующего каскада, не зависящего от частоты несущегоколебания.

Потери в СТЦ рассчитывались согласно следующему выражению:‫ܭ‬௜ ሺʙʠʑ௜ ሻ ൌ െʹͲ Ž‘‰ ൬ͳ െʙʠʑ௜ െ ͳ൰ ǡ ˇʐʙʠʑ௜ ൅ ͳ(2.19)65Общее потребление мощности рассматриваемого ППМ определяется всоответствии со следующим выражением:௡ିଵͳܲʑʪʤܲʞʞʛ ሺ݂ǡ ܲʑʪʤ ሻ ൌ ሺሻ ή ሺͳ ൅ ෍ሻ ൅ ܲʏʥʞ ǡ௜ͳͳͳቀ ଴Ǥଵ௄ʣʑ ቁ ή ቀ ଴Ǥଵ௄ʏʡ ቁ ή ʙʞʓሺ݂ሻ௜ୀଵ ሺͳͲ଴Ǥଵʙʢ೔ ሻ௜ ή ቀቁͳͲͳͲͳͲ଴Ǥଵ௄೔(2.20)Где ݂ – частота несущего колебания, ГГц; ʏʡ ൌ ʣʑ ൌ ͵ˇʐ – потери СВЧ сигнала в АТ и ФВ соответственно;ʙʢ୧ – коэффициент усиления по мощности i-го каскада, дБ;݊ – количество усилительных каскадов;ʙʞʓሺ݂ሻ – частотная зависимость КПД УМ (рисунок 2.23);ܲʏʥʞ – потребляемая мощность АЦП, Вт.В традиционной структуре АФАР необходимо учитывать потреблениемощности не только ППМ, но и возбудителя СВЧ сигнала, а также потеримощности в СВЧ распределительной системе (рисунок 2.21).В АФАР единый источник СВЧ сигнала содержит ССЧ. Уровеньпотребляемой мощности ССЧ на основе цифровой петли ФАПЧ в диапазоне от 1до 40 ГГц составляет от 0,4 Вт до 1,5 Вт.

Количество усилительных каскадовопределяется исходя из требуемой выходной мощности (с учетом потерь враспределительной системе) по алгоритму, аналогичному (2.20). Их входнаямощность в зависимости от частотного диапазона и типа ССЧ составляет не более10 мВт.СВЧ распределительная система состоит из делителя мощности на Nканалов, где N – это количество модулей в антенной решетке, а также СВЧ трактаи переходов. В качестве распределительной системы в диапазоне частот от 1 до 18ГГц в АФАР обычно используется коаксиальная линия передач.

Использованиеполоской линии передач сопряжено с большими потерями при разводке, аволноводы использовать еще нецелесообразно из-за больших габаритов [63]. Вдальнейшем будем рассматривать коаксиальную линию в диапазоне от 1 до 18ГГц и волноводную в диапазоне от 10 до 40 ГГц.66Погонные потери в коаксиальной линии передачи складываются из потерьв диэлектрике и проводнике и определяются следующими выражениями [64, 65]:ܽʙʝʏʙʠ ൫݂ǡ ‫ܦ‬ǡ ݀ǡ ߝǡ ‫݃ݐ‬ሺߚሻ൯ ൌ ܽʛʔʡ ሺ݂ǡ ‫ܦ‬ǡ ݀ǡ ߝሻ ൅ ܽʓʗʬʚ ൫݂ǡ ߝǡ ‫݃ݐ‬ሺߚሻ൯(2.21)ͳǤͺͻͺ ή ͳͲି଼ ඥߝ ή ݂ͳ ͳܽʛʔʡ ሺ݂ǡ ‫ܦ‬ǡ ݀ǡ ߝሻ ൌ ሺሻήሺ ൅ ሻ‫ܦ‬‫݀ ܦ‬Ž‘‰ሺ ሻ݀ܽʓʗʬʚ ൫݂ǡ ߝǡ ‫݃ݐ‬ሺߚሻ൯ ൌ ͻ ή ͳͲିଵଵ ή ݂ξߝ ή ‫݃ݐ‬ሺߚሻ(2.22)(2.23)где ܽʙʝʏʙʠ – погонные потери коаксиального кабеля, дБ/м;ߝ – относительная диэлектрическая проницаемость заполнения кабеля;‫ܦ‬ǡ ݀ – внешний и внутренний радиусы оплетки кабеля, м;‫݃ݐ‬ሺߚሻ – тангенс угла диэлектрических потерь.Для оценки энергетических характеристик АФАР в представленноймодели использовались типовые параметры коаксиального кабеля РК-50,работоспособного вплоть до 40 ГГц.

В качестве диэлектрика использовалсявоздух.Рассчитанныепредставленынапогонныерисунке2.24.потерикоаксиальнойПогонныепотерилиниипередачиволноводнойлиниирассчитывались согласно [65].Входной и выходной КСВ коаксиальных кабелей, как и волноводов, вмодели составлял 1,2. Потери на коаксиально-микропролосковые и волноводнополосковые переходы рассчитывались согласно выражению (2.19).(ira_KoaK, aB/Md=2.4 MM310203040HacTOTa, ITuРисунок 2.24 – Частотная зависимость погонных потерь в коаксиальной линиипередачи67Потери на каждое двоичное деление составляет в среднем 0,2 дБ. Длиналинии передачи от возбудителя до каждого из ППМ рассчитывалась какминимальная длина из центра решетки до крайнего излучателя при условии, чтоантенная решетка квадратная. Таким образом, общие потери на СВЧраспределительную систему на одну линию с учетом выбранного типа линиипередач определяются следующим выражением:ξܰ ή ܿ ή ‫ܭ‬௅‫ݏݏ݋ܮ‬ʟʏʠʞ ሺ݂ǡ ܰǡ ‫ܭ‬௅ ሻ ൌ ܽሺ݂ሻ ήʹξʹ ή ݂(2.24)൅ ‫ܭ‬ሺͳǤʹሻ ൅ ͲǤʹ Ž‘‰ ଶ ܰгде ܽሺ݂ሻ – погонные потери соответствующей линии передачи, дБ/м;‫ܭ‬௅ – масштабирующий коэффициент (при минимальной длине разводки‫ܭ‬௅ =1).С учетом выражений (2.20) и (2.24) общая потребляемая мощность АФАРопределяется как:ܲʞʝʡʟʏʣʏʟ ሺ݂ǡ ܰǡ ܲʑʪʤ ሻ ൌ ܰ ή ܲʞʞʛ ሺ݂ǡ ܲʑʪʤ ሻ ൅ ܲʑʝʖ ሺ݂ǡ ܰǡ ܲʑʪʤ ሻ(2.25)Тип используемых транзисторов в ППМ АФАР существенно влияет на еёэнергетические характеристики.

ТехнологияpHEMT обеспечивает работутранзисторов в более широкой полосе частот, поэтому именно она используется вмодели при описании характеристик УМ. На рисунке 2.25 показана частотнаязависимость потребляемой мощности АФАР при использовании GaAs и GaNтехнологии,полученнаяврезультатеиспользованияаналитической модели.100pGaAs, KBT. GaN, KBTSOP00N= 500PBbl • 10 BTIt4020510MacTOTa, ITuРисунок 2.25 – Потребляемая мощность АФАРпредложенной68Из полученной зависимости видно, что УМ на GaN дают существенныйвыигрыш в энергетике АФАР. Особенности УМ на GaN и достижимыехарактеристики более подробно описаны в главе 3. В дальнейшем будем полагать,что УМ в составе как АФАР, так и ЦАР выполнены на основе GaN транзисторов.Модуль ЦАР состоит из ряда усилительных каскадов, вносящихнаибольший вклад в потребляемую мощность (рисунок 2.27).