Модуль бортовой цифровой антенной решетки, страница 8

Любое электрическое колебание,полученное с помощью известных современных науке методов, содержитсоставляющие фазовой (или частотной) модуляции случайного характера [33].Спектрфазовыхшумовгенераторанесущей,использованныйваналитической модели ФС, представлен на рисунке 2.12. Кроме спектра фазовыхшумов СВЧ генератор несущей характеризуется выходной мощностью 10 дБм (10мВт) и стабильностью частоты 10-7, определяемой стабильностью опорногокварцевого генератора.Рисунок 2.12 – Спектральная плотность фазовых шумов модели генераторанесущей ФС54Фаза и амплитуда выходного колебания генератора являются случайнымивеличинами, подчиняющиеся нормальному закону распределения. Дисперсияэтих величин зависит от спектра фазовых шумов.

Фазовый шум генераторапринято оценивать по величине отношения спектральной плотности измеренноймощности одной боковой полосы шумов к полной мощности колебания в полосечастот равной 1 Гц и при определенной отстройке от несущей.Плотность вероятности распределения фазы выходного колебания ФС взависимости от спектральной плотности мощности фазовых шумов ССЧ,входящего в его состав, представлены на рисунке 2.13.Рисунок 2.13 – Плотность распределения фазы выходного колебания ФСВлияние фазовых шумов на амплитуду выходного колебания ФСнезначительны и в дальнейшем ими можно пренебречь. Математическоеожидание фазы выходного колебания ФС во всех случаях равнялось фазе,рассчитанной в соответствии с входными I/Q сигналами (1.7) и (1.8).Анализировалась выборка из 4000 значений фаз выходного колебания,измеренных в моменты времени смены значений I/Q сигналов в аналитическоймодели КМ.Использование ССЧ в каждом модуле приводит к зависимости возможногореализуемого дискрета выходной фазы СВЧ колебания от уровня фазовых шумов,показанной на рисунке 2.14.55Рисунок 2.14 – Зависимость реализуемого дискрета фазы от величины фазовыхшумов СВЧ генератораПолученные данные показывают, что для реализации фазового дискрета0,352° (10 разрядов) фазовый шум на выходе ФС должен составлять не болееминус 85 дБ/Гц при отстройке от несущей на 100 Гц.Наличие дополнительного фазового сдвига в синфазном канале приводит кповороту диаграммы состояния выходного сигнала ФС (рисунок 2.15) противчасовой стрелки в случае положительного сдвига.

Фазовый сдвиг являлсяслучайной величиной, распределенной по нормальному закону с математическиможиданием равным 0° и средним отклонением в 10°.Рисунок 2.15 – Диаграмма состояний сигнала на выходе ФС при фазовом сдвиге всинфазном канале56Введение дополнительного фазового сдвига с аналогичными параметрамив квадратурный канал увеличивает разброс фаз и амплитуд выходного сигнала,диаграмма состояний которого приведена на рисунке 2.16.Рисунок 2.16 – Диаграмма состояний сигнала на выходе ФС при фазовых сдвигахв синфазном и квадратурном каналахОтносительный фазовый сдвиг выходного колебания ФС зависит от суммыфазовых сдвигов в синфазном и квадратурном каналах и определяетсяследующим выражением:ο߮ʑʪʤ ሺο߮ூ ǡ ο߮ொ ሻ ൌο߮ூ ൅ ο߮ொʹ(2.6)где ο߮ூ – фазовый сдвиг синфазного канала, рад;ο߮ொ – фазовый сдвиг квадратурного канала, рад.Относительная амплитудная ошибка ‫ܭ‬ʑʪʤ ൫ο߮ூ ǡ ο߮ொ ൯ выходного колебанияКМ зависит от разности фазовых сдвигов в синфазном и квадратурном каналах иопределяется следующим выражением:‫ܭ‬ʑʪʤ ൫ο߮ூ ǡ ο߮ொ ൯ ൌ •‹ ൬ο߮ூ െ ο߮ொο߮ூ െ ο߮ொ൰ ൅ …‘•൬൰ʹʹ(2.7)График зависимости нормированной амплитуды выходного колебания ФСот разности фазовых сдвигов приведен на рисунке 2.17.57Рисунок 2.17 – Относительный амплитудный множитель выходногоколебания ФСНеидентичность АЧХ синфазного и квадратурного каналов оказываетменьшее влияние на параметры выходного колебания ФС, которые определяютсяследующими выражениями:‫ܭ‬ʑʪʤ ൫ο‫ܣ‬ூ ǡ ο‫ܣ‬ொ ൯ ൌο‫ܣ‬ூ ൅ ο‫ܣ‬ொ˒˓ˋ൫ο‫ܣ‬ூ ൅ ο‫ܣ‬ொ ൯ ൏ ͸ˇʐǡͶο߮ʑʪʤ ൫ο‫ܣ‬ூ ǡ ο‫ܣ‬ொ ൯ ൌߨ൫ο‫ܣ‬ூ െ ο‫ܣ‬ொ ൯ǡ͸Ͳ(2.8)(2.9)где ο‫ܣ‬ூ – амплитудные потери синфазного канала, дБ;ο‫ܣ‬ொ – амплитудные потери квадратурного канала, дБ.Для обеспечения требуемого режима работы транзисторов в ячейкахГильберта в дифференциальных сигналах синфазного и квадратурного канала ФСприсутствует постоянная составляющая.

Отклонение постоянного смещения всинфазном и квадратурном каналах от требуемого приводит к смещению центрадиаграммы состояния выходного колебания ФС, показанной на рисунке 2.18.Положительное смещение приводит к сдвигу диаграммы состояний в правыйверхний сектор, отрицательное – в левый нижний сектор.58Рисунок 2.18 – Диаграмма состояний выходного колебания ФС в зависимости отналичия постоянного смещения на синфазном и квадратурном каналахВ модуле ЦАР постоянное смещение в информационных каналахреализуется в цифровом виде совместно с I/Q сигналами.

Его отклонение отноминального определяется разрядностью ЦАП (половина цены младшегоразряда),исоответствующийвкладвсуммарнуюошибкуФСмал.Неидентичность АЧХ синфазного и квадратурного каналов ФС обычно непревышает 1-3 дБ, и его влиянием на амплитуду выходного колебания ФС можнопренебречь.Коррекция амплитудно-фазовых ошибок ФС в штатном режиме требуетаналитического выражения выходного сигнала ФС, учитывающего описанныевыше ошибки. С учетом результатов моделирования и сделанных вышедопущений была составлена упрощенная аналитическая модель ФС, показаннаяна рисунке 2.19 [50].Неидентичность фазовых сдвигов в синфазном и квадратурном каналах иошибка формирования 90° фазового сдвига несущей объединены в единый блок.Неидентичность АЧХ каналов представлена в виде фильтра с импульснойхарактеристикой ݄ሺ‫ݐ‬ሻ [51] и усилителя с коэффициентом усиления ݃ఛ .Выходной сигнал КМ можно записать в виде:59‫ݏ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ ‫ܫ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ‫•‘… ڄ‬ሺ߱଴ ‫ݐ ڄ‬ሻ ൅ ܳሺ‫ݐ‬ሻ ‫݄ ڄ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ‫݊݅ݏ ڄ ˕݃ ڄ‬ሺ߱଴ ‫ ݐ ڄ‬൅ ߮ˆ ሻ(2.10)Рисунок 2.19 – Упрощенная аналитическая модель ФСВоспользовавшись тригонометрической формулой:‫݊݅ݏ‬ሺߙ ൅ ߚሻ ൌ ‫݊݅ݏ‬ሺߙሻ ‫ݏ݋ܿ ڄ‬ሺߚሻ ൅ ܿ‫ݏ݋‬ሺߙሻ ‫݊݅ݏ ڄ‬ሺߚሻ(2.11)Выражение 2.10 можно переписать в виде:‫ݏ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ ൫‫ݖ‬ூ ሺ‫ݐ‬ሻ െ ‫ݖ‬ொ ሺ‫ݐ‬ሻ ‫݄ ڄ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ‫ ˆ߮ ݊݅ݏ ڄ ˕݃ ڄ‬൯ ‫•‘… ڄ‬ሺ߱଴ ‫ݐ ڄ‬ሻ െ ‫ݖ‬ொ ሺ‫ݐ‬ሻ ‫݄ ڄ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ‫˕݃ ڄ‬‫‹• ڄ ˆ߮ ݏ݋ܿ ڄ‬ሺ߱଴ ‫ݐ ڄ‬ሻ(2.12)Из формулы Эйлера известно:݁ ௜௫ െ ݁ ି௜௫݁ ௜௫ ൅ ݁ ି௜௫‫݊݅ݏ‬ሺ‫ݔ‬ሻ ൌܿ‫ݏ݋‬ሺ‫ݔ‬ሻ ൌʹ݅ʹ(2.13)Тогда, (2.12) перепишется:݁ ௜ఝˆ െ ݁ ି௜ఝˆ ݁ ௜ఠబ‫ڄ‬௧ ൅ ݁ ି௜ఠబ‫ڄ‬௧‫ݏ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ ቆ‫ݖ‬ூ ሺ‫ݐ‬ሻ െ ‫ݖ‬ொ ሺ‫ݐ‬ሻ ‫݄ ڄ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ‫ڄ ˕݃ ڄ‬െ ‫ݖ‬ொ ሺ‫ݐ‬ሻቇ‫ڄ‬ʹ݅ʹ‫݄ ڄ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ‫ڄ ˕݃ ڄ‬Известно, что:݁௜ఝˆ൅݁ʹି௜ఝˆ‫ڄ‬݁௜ఠబ ‫ڄ‬௧െ݁ʹ݅ି௜ఠబ ‫ڄ‬௧‫ݖ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൅ ‫ݖ‬ሺ‫ݐ‬ሻ‫כ‬‫ݖ‬ሺ‫ݐ‬ሻ െ ‫ݖ‬ሺ‫ݐ‬ሻ‫כ‬ሺ‫ݐ‬ሻ‫ݖ‬ொൌʹʹ݅Тогда, (2.14) можно переписать в виде:‫ݖ‬ூ ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ(2.14)(2.15)60݁ ௜ఝˆ െ ݁ ି௜ఝˆ ݁ ௜ఠబ ‫ڄ‬௧ ൅ ݁ ି௜ఠబ ‫ڄ‬௧‫ݏ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ ቆ‫ ܣ‬െ ‫ڄ ܤ‬െ‫ܤ‬ቇ‫ڄ‬ʹʹ݅где‫ ܣ‬ൌ௭ሺ௧ሻା௭ሺ௧ሻ‫כ‬ଶ‫ڄ‬;݁௜ఝˆ൅݁ʹି௜ఝˆ‫ڄ‬݁௜ఠబ ‫ڄ‬௧െ݁ʹ݅ି௜ఠబ ‫ڄ‬௧(2.16)ǡ‫ݖ‬ሺ‫ݐ‬ሻ െ ‫ݖ‬ሺ‫ݐ‬ሻ‫כ‬ ‫݄ ڄ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ‫˕݃ ڄ‬‫ܤ‬ൌʹ݅После раскрытия скобок, упрощения и группировки элементов, выражение(2.16) можно записать в виде:݁ ௜ఝˆ ݁ ௜ఠబ‫ڄ‬௧݁ ି௜ఝˆ ݁ ି௜ఠబ ‫ڄ‬௧‫ݏ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ ቆ‫ ܣ‬െ ‫ڄ ܤ‬൅ ቆ‫ ܣ‬൅ ‫ڄ ܤ‬ቇ‫ڄ‬ቇ‫ڄ‬ʹʹ݅݅Учитываяпреобразований,сделанныеможноранееполучить,обозначениячто(2.15)выходнойисигнал(2.17)выполниврядквадратурногомодулятора:݁ ௜ఠబ ‫ڄ‬௧݁ ି௜ఠబ ‫ڄ‬௧‫כ‬‫כ‬‫ݏ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ ሾ݃ଵ ሺ‫ݐ‬ሻ ‫ݖ ڄ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൅ ݃ଶ ሺ‫ݐ‬ሻ ‫ݖ ڄ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ‫ڄ‬൅ ሾ݃ଵ ሺ‫ݐ‬ሻ ‫ݖ ڄ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ൅ ݃ଶ ሺ‫ݐ‬ሻ ‫ݖ ڄ‬ሺ‫ݐ‬ሻ ሿ ‫ڄ‬ǡʹʹгде ݃ଵ ሺ‫ݐ‬ሻ ൌ݃ଶ ሺ‫ݐ‬ሻ ൌଵା௚˕ ‫ڄ‬௘ ೔കˆ ‫ڄ‬௛ሺ௧ሻଶ;‫כ‬ሿ(2.18)ଵି௚˕ ‫ڄ‬௘ ೔കˆ ‫ڄ‬௛ሺ௧ሻଶ.Рассмотренная аналитическая модель ФС позволила оценить влияниеошибок ССЧ и КМ на выходной сигнал передающего тракта модуля ЦАР исформировать требования к амплитудно-фазовому балансу КМ и уровнюспектральной плотности шумов СВЧ генератора несущей – ССЧ с цифровымкольцом ФАПЧ.612.3.Анализ энергетических характеристик антенной решетки на основецифровых приёмопередающих модулейОсобенностью рассматриваемой в диссертационной работе структурыЦАР является отсутствие распределительной системы СВЧ сигнала.

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.62Рисунок 2.20 – Модель ППМ АФАРРисунок 2.21 – Структурная схема вобудителя СВЧ сигнала в АФАР63На 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.Рисунок 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.Рисунок 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.