Модуль бортовой цифровой антенной решетки, страница 5
Описание файла
Файл "Модуль бортовой цифровой антенной решетки" внутри архива находится в папке "Модуль бортовой цифровой антенной решетки". PDF-файл из архива "Модуль бортовой цифровой антенной решетки", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "технические науки" из Аспирантура и докторантура, которые можно найти в файловом архиве МАИ. Не смотря на прямую связь этого архива с МАИ, его также можно найти и в других разделах. , а ещё этот архив представляет собой кандидатскую диссертацию, поэтому ещё представлен в разделе всех диссертаций на соискание учёной степени кандидата технических наук.
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст 5 страницы из PDF
Управление КМ может осуществляться посредствомуниверсальных интерфейсов I2C или SPI, с помощью которых возможноуправление питанием отдельных элементов КМ, отключение выходного сигнала сего работой на внутреннюю согласованную нагрузку и многое другое. Все этозначительно повышает возможности существующих КМ.Массовое использование КМ позволило значительно сократить ихстоимость, которая для фирм Analog Devices и Hittite Microwave Corporation вдиапазоне до 6 ГГц составляет менее десяти долларов США.КМ до 6 ГГц выпускаются в стандартизированных корпусах размером 4×4мм, имеющих 24 выводов, работоспособные при температурах от минус 45 доплюс 85 градусов Цельсия.
Выходная мощность насыщения КМ обычно непревышает 10 дБ, а вносимые потери лежат в диапазоне от 2 до 4 дБ. Типовой токпотребления составляет в среднем 0,2 А, напряжение питания от плюс 3,3 В доплюс 5 В. Время включения типовых КМ составляет от десяток до сотеннаносекунд.Важными характеристиками аналогового КМ являются амплитудный ифазовый баланс, определяющие дисперсию ошибки в амплитуде и фазевыходногоколебаниясоответственно.Амплитудныйифазовыйбалансопределяется идентичностью конструктивного и технологического исполненияэлементов информационных каналов – смесителей, операционных усилителей,линий передач, сумматора мощности.Исследования в области КМ направлены в первую очередь на расширениедопустимой полосы рабочих частот и уменьшение фазовых и амплитудныхошибок.
Так, в работе [30] была продемонстрирована разработка КМ на 0,18 мкмSiGe, обеспечивающего работу в диапазоне 80 – 95 ГГц. КМ выполнен натрадиционных ячейках Гилберта, размеры платы составили 480 × 260 мкм.31В статье [31] описан КМ для перспективных систем терагерцовой связи,работоспособный вплоть до 300 ГГц. КМ выполнен в виде МИС.
Полученныезначения амплитудного и фазового баланса составили 0,6 дБ и 4° соответственно,что является рекордным для этого диапазона. В работе [32] представлен КМ,диапазон рабочих частот которого достигает 60 ГГц. Размеры МИС составили 400× 300 мкм, а энергопотребление всего 28 мВт, что значительно превосходитаналоги в данной полосе частот.Для управления амплитудно-фазовым распределением (АФР) в раскрывеЦАРнасинфазныйиквадратурныйвходыКМнеобходимоподатьпоследовательность биполярных многоуровневых импульсов, частота следованиякоторых соответствует требуемой скорости изменения АФР.Реализуемый дискрет фазы и амплитуды КМ не зависит от его внутреннейструктуры и определяется способом формирования входных I/Q сигналов –разрядностью ЦАП.
Требуемая разрядность ЦАП определяется следующимвыражением:ܰʥʏʞ ൌ ቒ ଶଷοఝቓ ቒ ଶгде ܰʥʏʞ – требуемая разрядность ЦАП;ଵοఈቓ ͳ,(1.5)ο߮ – дискрет фазы, град;οߙ – дискрет амплитуды, В.Разрядность современных низкоскоростных ЦАП (частота дискретизациименее 300 МГц) составляет от 10 до 16 бит, что, с учетом ошибок, которые будутописаны в разделе 1.3, дает возможность реализации фазового дискрета вплоть до0,352° и амплитудного дискрета 0,471 дБ (10 разрядов – фаза, 5 разрядов амплитуда). Потери СВЧ мощности в КМ не зависят от требуемой разрядности ив диапазоне от 1 от 40 ГГц составляют около 6 – 8 дБ.С помощью КМ возможно одновременное управление фазовым иамплитудным распределением в решетке.
Изменение фазы выходного СВЧколебания осуществляется путем изменения амплитуд I/Q сигналов привыполнении следующего условия:32ඥ ܫଶ ሺݐሻ ܳଶ ሺݐሻ ൌ ܣ,(1.6)где ܫሺݐሻ – ампилтуда синфазного сигнала, В;ܳሺݐሻ – ампилтуда квадратурного сигнала, В; – ܣтребуемая амплитуда сигнала на выходе КМ, В.Множество возможных состояний выходного колебания КМ удобнопредставлять в полярной системе координат в виде диаграммы состояний, осикоторой являются проекциями нормированных амплитуд сигналов I и Q каналов.Для случая управления фазовым распределением с фазовым дискретом ο߮ ൌͳͳǡʹͷιдиаграмма состояний выходного колебания КМ показана на рисунке 1.12.Все возможные состояния выходного СВЧ сигнала в этом случае равномернораспределены по окружности единичного радиуса.Рисунок 1.12 – Диаграмма состояний КМ для фазового дискрета ο߮ ൌ ͳͳǡʹͷιУправлениеамплитуднымраспределениемосуществляетсяпутемизменения амплитуд синфазного и квадратурного канала на одинаковуювеличину.
Выполнение условия (1.6) при этом не ведет к изменению фазывыходного СВЧ колебания. Диаграмма состояний КМ для фазового дискретаο߮ ൌ ͳͳǡʹͷι и амплитудного дискрета οߙ ൌ Ͳǡͳʹͷ показана на рисунке 1.13.33Рисунок 1.13 – Диаграмма состояний КМ для фазового дискрета ο߮ ൌ ͳͳǡʹͷι иамплитудного дискрета οߙ ൌ ͲǡͳʹͷДля одновременного управления амплитудным и фазовым распределениемЦАР синфазный и квадратурный сигналы должны формироваться в соответствиисо следующими выражениями:ܫ ሺݐሻ ൌ ܭ ்ܧఈ ߙ ሺሻሺ߮ ሺݐሻ ߮ ሻ,(1.7)ܳ ሺݐሻ ൌ ܭ ்ܧఈ ߙ ሺሻ ሺ߮ ሺݐሻ ߮ ሻ,(1.8)где ߮ – требуемое значение фазы выходного СВЧ колебания, рад;ߙ – требуемое значение амплитуды выходного СВЧ колебания; – ்ܧзначение амплитуды выходного напряжения ЦАП, В;ܭఈ ǡ ߮ – амплитудный и фазовый коэффициенты коррекции соответственно.Каждому значению амплитуды и фазы выходного СВЧ колебаниясоответствуютсвоикоэффициентыкоррекции, определяемыенастадиииспытаний и в ходе проведения штатной калибровки передающего тракта модуляЦАР.Кроме амплитудной и фазовой модуляции, КМ позволяет осуществитьлинейную(ЛЧМ)инелинейнуючастотнуюмодуляцию.Дляслучаяформирования ЛЧМ сигнала на выходе КМ, сигналы синфазного и квадратурногоканалов с учетом выражений (1.7) и (1.8) записываются следующим образом:34ܫ ሺݐሻ ൌ ܭ ்ܧఈ ߙ ሺሻሺ߮ ሺݐሻ ߮ ʹߨ ݐଶ ሻ,(1.9)ଶܳ ሺݐሻ ൌ ܭ ்ܧఈ ߙ ሺሻ ሺ߮ ሺݐሻ ߮ ʹߨ ݐଶ ሻ,где ο݂ – девиация частота, Гц;ܾൌ(1.10)ଶο݂ǡܶ(1.11)ܶ - длительность ЛЧМ сигнала, с.Выводы1.Разработка перспективных многофункциональных бортовых РЛС являетсякомплексной задачей, требующей изменения не только методов обработкисигнала, но и в целом структуры антенной решетки.2.Для увеличения динамического диапазона приёмного тракта модуля ЦАРнеобходимоиспользоватьаналого-цифровоепреобразованиенепосредственно на несущей.
Разрядность АЦП при этом должнасоставлять не менее 10 для решения задач бортовых РЛС.3.Использованиеквадратурногомодуляторавкачествеустройствауправления амплитудно-фазовым распределением в ЦАР позволяетуменьшить реализуемый фазовый дискрет (до 10 разрядов), а также потерив СВЧ тракте ППМ на 2 – 3 дБ.4.Наиболее подходящей для реализации всех достоинств бортовой ЦАР(адаптивность, цифровое формирование ДН) является структура модуля, вкоторую входит АЦП, ЦАП и КМ в качестве устройства управленияамплитудно-фазовым распределением.352.Приёмопередающий модуль цифровой антенной решеткиАнтенные решетки бортовых РЭС, реализующие принцип ЦДО, являютсяв настоящее время одним из приоритетных направлений в развитии антеннойтехники [34, 35].
Формирование диаграммы направленности на прием в такихрешетках осуществляется в цифровом виде после двойного понижения частоты ианалого-цифровогопреобразованиявприёмномтракте,чтоуменьшаетдинамический диапазон системы, вносит дополнительные амплитудно-фазовыеошибки, увеличивает габариты приёмного тракта.Поскольку общее количество ППМ ЦАР может составлять несколькотысяч, то проблема разводки сигнала от СВЧ генератора несущей ко входампередающих каналов ППМ, снятие и обработка сигнала с выходов приемныхканалов ППМ очень сложна.
Кроме того, существенной задачей является отводтепла от активных приборов в условиях компактного размещения модулей.Традиционная структура ЦАР представлена на рисунке 2.1.В последнее время появились публикации с примерами структур ЦАР, вкоторых отсутствует СВЧ распределительная система. В работе [8] предлагаетсяиспользовать в качестве источника СВЧ сигнала ЦАП, входящий в состав ППМ.Известны также патенты, в которых предлагается антенная решетка, в составкаждого ППМ которой входит прямой цифровой синтезатор частотыисинхросигналов (ССЧ) [36-38].
В таких ССЧ формирование требуемыхпараметров сигнала (частота, фаза, амплитуда) осуществляется цифровымиметодами с последующим цифро-аналоговым преобразованием и фильтрациейширокополосного шума ЦАП.Для получения на выходе ЦАП синусоидального СВЧ колебания на еговход необходимо подать последовательность отсчетов функции sin, следующих счастотой дискретизации. Частота дискретизации ЦАП в этом случае по теоремеКотельникова должна быть как минимум в 2 раза больше максимальной частоты вспектре выходного СВЧ сигнала.36Рисунок 2.1 – Структурная схема традиционной ЦАР37Закон изменения sin от времени сложен и цифровыми методами просто нереализуется.