Модуль бортовой цифровой антенной решетки, страница 10

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 2.31.73Рисунок 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). Широкозонные GaN транзисторы обладаютповышенным КПД (вплоть до 80% в режиме AB), что снижает требования ксистеме охлаждения, и более высокими значениями входных и выходныхсопротивлений, что упрощает процесс широкополосного согласования [66].НаиболееширокаяноменклатураGaNдискретныхтранзисторов,работающих вплоть до 18 ГГц, представлена фирмой TriQuint Semiconductor.Основой линейки является дискретный транзисторTGF2023-2-01, используя77который в качестве элементарной ячейки усиления, были разработаны кристаллыс номинальной выходной мощностью в 25, 50 и 100 Вт.

Транзисторы требуютнапряжение питания 28 В, имеют электронныйКПД вплоть до 71%.Протяженные GaN структуры, например, TGF2023-2-10 (рисунок 3.1) обладаютхудшими частотными свойствами (меньшей граничной частотой), меньшим КПД(на практике до 65%), сложны в согласовании, но позволяют получитьпотенциально большие мощности при малых габаритных размерах.При размерах многосекционного транзистора, сопоставимого с четвертьюдлины волны входного СВЧ колебания, важно учитывать фазовое и амплитудноерассогласование токов на контактах затвора и выдерживать одинаковые длинывходных соединительных перемычек.Рисунок 3.1 - Внешний вид TGF2023-2-10Современные коммерчески доступные GaN дискретные транзисторыпредставлены в основном в относительно низкочастотном диапазоне (до 6 ГГц) ипоказаны в таблице 3.1. Более высокочастотные диапазоны (X и Ku) в настоящеевремя освоены только фирмами Triquint Semiconductor и Cree Inc.Таблица 3.1 - Коммерчески доступные GaN дискретные транзисторыФирмапроизводительМодельTriquintSemiconductorCree Inc.TGF2023-2-01Частотныйдиапазон,ГГц0-18CGHV1J006D0-18Cree Inc.CGH60008D0,5 – 6Выходнаямощность,Вт6(10 ГГц)6(10 ГГц)8(4 ГГц)КПД,%66(10 ГГц)60(10 ГГц)50(4 ГГц)Напряжениестока,В28402878Продолжение таблицы 3.1ФирмапроизводительМодельEGN35C070I2DЧастотныйдиапазон,ГГц0,5 – 4,5Выходнаямощность,Вт75(3,5 ГГц)SumitomoElectric DeviceInnovationsNxPSemiconductorUnitedMonolithicSemiconductorsКПД,%Напряжениестока,В5060(3,5 ГГц)CLF1G0060(S)-100–6103450CHK015A-SMA0–6155050Использование GaN транзисторов в УМ позволяет существенно повыситьвыходную мощность модуля ЦАР при сохранении, а иногда и при улучшениимассогабаритных характеристик модуля.

В работе [69] описан гибридныйширокополосный GaN усилитель с выходной мощностью 20 Вт в X-диапазоне,КПД которого превышает 40%. Высокий КПД GaN транзисторов позволяетзначительно снизить общее энергопотребление бортовых антенных решеток. Так,в работе [70] продемонстрирован выходной усилитель мощности сантиметровогодиапазона длин волн с КПД, достигающим 64% в режиме AB. Использованиесложных видов цифровой модуляции (например при одновременном управленииамплитудным и фазовым распределением в решетке) накладывает на усилителимощности дополнительные требования по линейности, которые можно достичь спомощью системы цифрового предварительного искажения, как было показано вработе [71] при разработке усилителя мощности X-диапазона космическогобазирования.Одним из очевидных применений GaN транзисторов являются системырадиопротиводействия, традиционно перекрывающие многооктавные полосы вдециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн.

Высокая граничнаячастота GaN pHEMT позволяет создавать сверхширокополосные усилители, как вработе [72], где продемонстрирован GaN МИС с 20 Вт средней выходноймощностью в диапазоне частот 6 – 18 ГГц. Широкое применение GaN79транзисторы находят в многолучевых системах, как в [73], где был описан 2 – 8ГГц усилитель мощности с 30% КПД.Ведущими производителями МИС УМ СВЧ диапазона на основе GaNтранзисторов являются следующие фирмы: TriQuint Semiconductor (США),Eudyna (США), Cree (США), Nitronex (США), Raytheon (США), Fraunhofer(Германия), HRL (США), Selex (Италия) и др. Параметры некоторых коммерческидоступных GaN УМ представлены в таблице 3.2.Таблица 3.2 - Коммерчески доступные GaN УМФирмапроизводительМодельCree Inc.TriquintSemiconductorMITEQCMPA801B025DTGA2573-TSEudynaRFMDNitronexAMFG-3F-0003040060-32PEGN28B400M1B-RRF3933DNPA1001Частотныйдиапазон,ГГц8-112-18Выходнаямощность,Вт2510КПД,%0,03-43482,7-2,90-42,5-640090105047424522AlGaN/GaN транзистор на SiC подложке является лучшим претендентомдля использования в усилительных каскадах модуля ЦАР для современныхбортовых РЭС.

Высокие значения КПД и плотности мощности на единицуширинызатвораобеспечиваютзначительноеснижениемассогабаритныххарактеристик УМ на их основе, а значит и всего бортового радиоэлектронногокомплекса в целом.3.1.Влияние точности определения параметров транзисторов на частотныехарактеристики усилителей мощностиХарактеристики СВЧ УМ в широкой полосе частот зависят от точногоопределения параметров режима мощных транзисторов, входящих в их состав.Существенное влияние на режим работы усилителя оказывают входное ивыходное комплексные сопротивления активного прибора. Случайные ошибки,возникающие при неточном определении этих сопротивлений, часто не80принимают во внимание, что приводит к снижению как коэффициента усиленияпо мощности (КУ), так и КПД всего усилителя.

Рассмотрим влияние этих ошибокна частотные характеристики УМ, разработка которого описана в главе 4.Исследование проводилось в программной среде Applied Wave ResearchDesign Environment (AWR). В качестве закона распределения случайных величин(сопротивлений) было выбрано нормальное распределение. При статистическоманализе предполагалось, что математическое ожидание активной и реактивнойсоставляющейсопротивленийравнялосьихноминальномузначению,полученному из разработанных нелинейных моделей при рабочих значенияхнапряжения питания и смещения.