Модуль бортовой цифровой антенной решетки, страница 9

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).Рисунок 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:‫ݏݏ݋ܮ‬ʟʏʠʞ ሺ݂ǡ ܰǡ ‫ܭ‬௅ ሻ ൌ ܽሺ݂ሻ ήξܰ ή ܿ ή ‫ܭ‬௅ʹξʹ 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.Рисунок 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). Порядок их расчетааналогичен описанному выше. Потребляемая мощность ЦАП с частотойдискретизации до 200 МГц составляет около 300 мВт.

Реализуемая выходнаямощность ССЧ не превышает 10 мВт. Потери коммерчески доступныхузкополосных КМ в диапазоне до 40 ГГц не превышают 7 дБ. Потребляемаямощность типовых 16-разрядных МК в составе модуля ЦАР не превышает 100мВт.Общая потребляемая мощность ЦАР определяется выражением:ܲʞʝʡʟʥʏʟ ሺ݂ǡ ܰǡ ܲʑʪʤ ሻ ൌ ܰ ή ܲˏˑˇ˖ˎ˟ʥʏʟ ሺ݂ǡ ܲʑʪʤ ሻ(2.26)Проведём сравнительный анализ энергетических характеристик АФАР иЦАР. На рисунке 2.29 показана частотная зависимость потребляемых мощностейАФАР и ЦАР для случая ܲʑʪʤ ൌ ͷʑ˕, ܰ ൌ ͷͲͲ с использованием (а) -коаксиальной и (б) – волноводной разводки.(а)(б)Рисунок 2.26 – Потребляемые мощности АФАР и ЦАР69Рисунок 2.27 – Структурная схема модуля ЦАР70ЗасчетуменьшенияКПДУМивозрастанияпотерьвСВЧраспределительной системе при увеличении частоты несущего колебания,наблюдаются области, в которых энергетически ЦАР оказывается выгоднееАФАР.

Использование прямого цифрового ССЧ в силу высокого потреблениямощности, оказывается менее энергоэффективным, поэтому в дальнейшем всесравнения осуществляются с вариантом модуля на основе цифровой петли ФАПЧ.Дляопределенияусловийэнергетическоговыигрышанеобходиморассмотреть влияние различных параметров антенной решетки на частотныйсдвиг данных областей. Для этого в дальнейшем оперируем следующейвеличиной:ܲʞʝʡʟʏʣʏʟ ሺ݂ǡ ܰǡ ܲʑʪʤ ሻ(2.27)݀ܲʞʝʡʟ ሺ݂ǡ ܰǡ ܲʑʪʤ ሻ ൌ ͳͲ Ž‘‰ ቆቇ ǡ ˇʐܲʞʝʡʟʥʏʟ ሺ݂ǡ ܰǡ ܲʑʪʤ ሻПоложительное значение ݀ܲ показывает энергетический выигрыш ЦАР, вто время как отрицательное значение показывает выигрыш традиционной АФАР.Частота, начиная с которой потребление мощности ЦАР оказывается меньшеАФАР, в дальнейшем будем называть граничной.Влияние ܲʑʪʤ передающего тракта модуля на отношение потребляемоймощности АФАР и ЦАР представлено на рисунке 2.28 для (а) – коаксиальной и(б) – волноводной разводки.(а)(б)Рисунок 2.28 – Частотная зависимость ݀ܲʞʝʡʟ при различных значениях ܲʑʪʤ71Повышение выходной мощности ППМ приводит к более раннему почастоте выигрышу ЦАР по энергетическим характеристикам.

Это связано с темфактом, что потребление мощности ЦАП и МК не зависит от увеличения частотынесущего колебания, а потребление ССЧ меняется достаточно слабо. В случае 500– элементной антенной решетки, при ܲʑʪʤ ൌ ͵ǡͷʑ˕ рассматриваемый вариантпостроения модуля ЦАР оказывается более энергоэффективным начиная с 10,5ГГц для коаксиальной и 12,8 ГГц для волноводной разводки.Влияние количества элементов антенной решетки на ݀ܲʞʝʡʟ представленона рисунке 2.29 для (а) – коаксиальной и (б) – волноводной разводки.(а)(б)Рисунок 2.29 – Частотная зависимость ݀ܲʞʝʡʟ при различных значениях ܰУвеличение количества элементов антенной решетки приводит кнесущественномусмещениюграничнойчастотыначалаэнергетическоговыигрыша ЦАР в область низких частот. Для случая возрастания N с 100 до 1000,смещение частоты составило 7 ГГц для коаксиальной и 3,7 ГГц для волноводнойразводки.Существенное влияние на энергетику АФАР оказывают размеры СВЧраспределительной системы, определяющиеся масштабирующим коэффициентом‫ܭ‬௅ в (2.24).

Влияние ‫ܭ‬௅ на энергетику ЦАР показано на рисунке 2.30.72Рисунок 2.30 – Частотная зависимость ݀ܲʞʝʡʟ при различных значениях ‫ܭ‬௅ длякоаксиальной разводкиУвеличение требуемой длины коаксиальных кабелей (увеличение потерь враспределительной системе и повышение потребляемой мощности единогоисточника СВЧ сигнала) приводит к смещению граничной частоты в областьнизких частот. При необходимости длинных коаксиальных кабелей (наземныеРЛС дальнего обнаружения, астрономические системы) с ‫ܭ‬௅ ൐ ͳ предложеннаяструктура ЦАР оказывается более энергоэффективна начиная с 10,5 ГГц.ППМ АФАР кроме передающего и приёмного тракта обычно содержат МКи ПЗУ, хранящие корректирующие коды для фаз и амплитуд выходного сигнала.Это позволяет осуществлять калибровку ППМ в частотной области, обеспечитьтемпературную компенсацию (уход фазы УМ в зависимости от температурыполупроводникого кристалла).