Электромагнитное взаимодействие компонентов приемного и передающего каналов в приемо-передающих модулях АФАР Х-диапазона

В.А. Коломейцев, А.В. Езопов

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОМПОНЕНТОВ ПРИЕМНОГО И ПЕРЕДАЮЩЕГО КАНАЛОВ В ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИХ МОДУЛЯХ АФАР Х-

ДИАПАЗОНА

Описываются основные характеристики разрабатываемого на производственной базе ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон» приемопередающего модуля активных фазированных антенных решеток Х-диапазона и предъявляемые к ним требования. Авторы предлагают ввести импульсный режим работы приемного канала для устранения возможности возникновения положительной обратной связи в передающем канале, вызванной большим суммарным усилением.

АФАР, приемо-передающие модули, усилители мощности

Х-диапазона

VA. Kolomejcev, А^. Ezopov

ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE COMPONENTS RECEIVING AND TRANSMITTING CHANNELS IN RECEIVING AND TRANSMITTING MODULE

ACTIVE PHASED ARRAY X-BAND

This article describes the main characteristics being developed on production basis of JSC “SIC “Almaz-Fazotron” transmitting-receiving module of active phased antenna arrays for X-band and their requirements. The authors propose to introduce a pulse mode receiving channel to eliminate the possibility of positive feedback in the transmitting channel, caused by a large total gain.

Active phased array, receiving and transmitting module, power amplifier X-band

Приемо-передающий модуль АФАР (ППМ) - основа пространственного канала обработки и формирования сигнала в АФАР. ППМ представляет собой единичный приемопередатчик, как правило, выполненный в отдельном корпусе. Современный приемопередающий модуль выполняет следующие функции:

1) формирует заданный уровень СВЧ-мощности в излучателе АФАР;

2) принимает СВЧ-сигналы с требуемой чувствительностью и защитой малошумного усилителя (МШУ) приемного канала;

3) управляет раздельно амплитудой и фазой излучаемых и принимаемых СВЧ-сигналов с обеспечением требуемой глубины регулировки, точности установки и стабильности во времени, в заданном частотном и динамическом диапазонах;

4) управляет переключателями прием-передача;

5) компенсирует температурную зависимость коэффициентов передачи ППМ в режимах передачи и приема;

6) принимает и хранит кодовые команды цифрового вычислителя;

7) выдает коды состояния основных параметров и общего сигнала исправности для контроля.

Типовая блок-схема приемо-передающего модуля приведена на рис. 1. С одной стороны модуль подключается к антенной решетке, с другой - поочередно к приемнику обработки сигнала и генератору СВЧ-сигнала в режимах приема и передачи соответственно.

Рис. 1. Типовая блок схема приемопередающего модуля АФАР

Основные требования, накладываемые на приемо-передающий модуль:

1) линейный режим работы;

2) чистый спектр излучаемых сигналов, т.е. отсутствие возбуждения усилителей;

3) коэффициент усиления порядка 40 дБ для передающего и порядка 30 дБ для приемного каналов.

Разработка приемо-передающего модуля, отвечающего приведенным требованиям, ведется научно производственным центром «Алмаз-Фазотрон». Одной из наиболее сложно решаемых задач практической реализации приемо-передающих модулей является требование по габаритам модуля. Габаритные размеры модулей АФАР определяются возможностью размещения их в антенной решетке, поскольку для исключения побочных максимумов излучения при сканировании шаг решетки не должен превышать Х/2, где X -длина волны в свободном пространстве. Поэтому при разработке модулей АФАР возникает задача их миниатюризации, которая усложняется по мере укорочения длины волны. Основными активными элементами ППМ являются монолитные интегральные схемы (МИС), выполненные на арсениде галлия. В МИС на одном кристалле выполнены и активные элементы, и пассивные согласующие цепи. Высокая диэлектрическая проницаемость ОаЛБ позволяет уменьшить длину волны в линии, а современные технологии изготовления тонких подложек позволяют уменьшить и поперечные размеры проводников, что, в свою очередь, позволяет еще больше миниатюризировать МИС. Пределы миниатюризации электромагнитных систем и активных приборов СВЧ ограничены, с одной стороны, современным уровнем их технологии и производства, а с другой - чрезмерной локализацией тепловыделения, требующей применения эффективных теплоотводов и устройств охлаждения.

Уровень миниатюризации современной элементной базы позволяет использовать в качестве мощных усилителей кристаллы размером не более 5 х 5 мм, а в качестве малошумных усилителей - кристаллы размером не более 1,2 х 2,0 мм (рис. 2). Для частот Х-диапазона шаг решетки составляет порядка 15 мм. Несмотря на достигнутый уровень миниатюризации элементной базы, необходимость в обвязке конденсаторами цепей питания, а также подвод цепей управления в совокупности с ограничениями на ширину канала не более 15 мм не позволяет разместить приемный и передающий каналы в отдельных радиогерметичных отсеках.

Рис. 1. Топология выходного усилителя мощности

Суммарный коэффициент усиления приемного и передающего каналов составляет порядка 80 дБ, а суммарные развязки ферритных вентилей и транзисторных переключателей - не более 60-70 дБ, что дает возможность появления паразитной обратной связи и возбуждения канала. Каскадирование ключей и ферритных вентилей для увеличения уровня развязки нецелесообразно, т.к. при суммарном усилении порядка 80 дБ положительная обратная связь может возникать и по объему радиогерметичного отсека канала.

На рис. 3 представлен спектр возбуждения передающего канала без подачи СВЧ мощности на вход устройства. На рис. 3 хорошо видны семь ярко выраженных спектральных линий, на которых происходит возбуждение. На частоте 11,58 ГГц мощность возбуждения максимальна, что свидетельствует о наличии резонанса и, как следствие, сильной положительной обратной связи.

Рис. 2. Спектрограммы передающего канала при включенном (слева) и при выключенном (справа) питании малошумного усилителя

Рис. 3. Осциллограмма импульсов питания малошумного усилителя

•# Agilent 15:28:20 Jul 30, 2010

•# Agilent 15:43:03 Jul 30, 2010

Norm

Log

Marker Q ЛСП1П1П1П1П1П1П1 CU-I No Lo

y.4ol0tll0l£jldjldjldj bhz -10.34 dBm 10 dE

1

I ill HI

. 1 . 1. 1. 1 J|.. 1 i ll 111 111 II 111 11 №1 I

Mkrl 9.46 GHz -10.17 dBm

Lgflv

HI S2 S3 FC flfl £(f): FTun Swp

Center 13.26 GHz Res BH 3 MHz

* Agilent 15:29:08 Jul 30, 2010

Marker

brlZ -10.17 dBm

m m

1ВВШ ЙНМШ HNIIriiil 1 ii

1 . .j 1L1 Hi l.li 1. 1 111 11 JU Hi 111

Span 26.49 GHz Center 13.26 GHz Sweep 66.24 ms (601 pts) Res BW 3 MHz

*• Agilent 15:44:05 Jul 30, 2010

Mkrl 9.46 GHz

Span 26.49 GHz Sweep 66.24 ms

Norm

Log

Lgflv

HI S2| S3 FC flfl £(f): FTun Swp

Center 13.26 GHz Res BW 3 MHz

•Й Agilent 15:30:06 Jul 30, 2010

I Marker n лсгагагагагапп ru_ Norm Log 10 dB/ Marker nлсгагагагагапп ru_

9.42 dBm u unz 1 9.73 dBm и unz 1

_ HI S2 S3 FC flfl £(f): FTun Swp

11 . . . 11 .1 ill III. J ЛИ iLil lJjl lluilll.ll , j, , ii. Ill. il i ilUlUlIilli iLulli

VBW 3 MHz

Span 26.49 GHz Center 13.26 GHz Sweep 66.24 ms (601 pts) Res BW 3 MHz

*• Agilent 15:45:38 Jul 30, 2010

Mkrl 9.46 GHz

Span 26.49 GHz Sweep 66.24 ms

Norm

Log

Marker q fa fa fa fa gi ran rzu-> Norm Log Marker q yi c fa fa fa fa fa fa fa rzu->

У.4О0ШШШ bhz 24.75 dBm 10 dB/ Lgflv У.4ОШШШ0 bhz 24.66 dBm

HI S2 S3 FC flfl £(f): FTun Swp

1 1  i 1 1 1 II ЧРП- A mmmm4wr

1 1111111ДИД IllllllliW 'll lllllll Il'llll 1Г' v i i

. . . I. .1,1 L il j. .11,, .,1 .U ...lilJiiulfc 1 .1 LjIi illJ .jl. JIJJi i ...11 ilj.ilL

Lgflv

HI S2 S3 FC flfl £(f): FTun Swp

Center 13.26 GHz Res BH 3 MHz

Span 26.49 GHz Center 13.26 GHz Sweep 66.24 ms (601 pts) Res BH 3 MHz

Span 26.49 GHz Sweep 66.24 ms

Рис. 4. Спектрограммы выходного сигнала различного уровня мощности при непрерывном (слева) и импульсном (справа) питании малошумного усилителя

В рамках данной конструкции был предложен подход импульсного питания не только передающего, но и приемного каналов. На рис. 4 представлена осциллограмма

импульсов питания выходного усилителя мощности (УМ) и приемного малошумного усилителя (МШУ). Питание с МШУ снимается непосредственно перед включением передатчика, а подается сразу после его выключения. Временные зазоры составляют порядка 40-50 нс. Введение импульсного режима питания приемного канала позволяет решить проблему возбуждения передающего канала из-за возникновения положительной обратной связи, вызванной большим суммарным усилением.

На рис. 5 показаны спектрограммы сигнала на выходе приемо-передающего модуля для двух режимов: непрерывного и импульсного питания МШУ при различных уровнях мощности полезного сигнала. При переходе в режим насыщения возбуждение пропадает, усилитель начинает работать устойчиво. Это известное свойство мощных усилителей. Но так как приемо-передающий модуль АФАР должен работать в линейном режиме, использование данного свойства невозможно. Поэтому применение импульсного питания малошумных усилителей представляется целесообразным.

Проведенное исследование показывает, что при малых габаритах приемопередающих модулей и технологических трудностях размещения приемного и передающего каналов в отдельных радиогерметичных отсеках введение импульсной работы приемного канала позволяет устранить паразитную обратную связь и решить проблему возбуждения передающего канала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воскресенский Д.И., Конащенков А.И. Активные фазированные антенные решетки. М.: Радиотехника, 2004.

Коломейцев Вячеслав Александрович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета

Езопов Андрей Владимирович -

инженер ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», г. Саратов

Статья поступила в редакцию 21.05.2011, принята к опубликованию 30.05.2011

Kolomejcev Vyacheslav Aleksandrovich -

Ph.D., Professor of Department "Radio Engineering", Saratov State Technical University

Ezopov Andrey Vladimirovich -

engineer, «SIC Almaz-Fazotron» JSC, Saratov