БОРТОВОЙ КОГЕРЕНТНЫЙ МЕТЕОРАДИОЛОКАТОР НА БАЗЕ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ

При использовании когерентного метеорологического радиолокатора (КМРЛ) на борту СМЛ важно выбрать рабочую длину волны. В результате исследований, проведенных в 70-80-х гг. прошлого века, определены два частотных диапазона, рекомендованных к применению как в штатных метеонавигационных радиолокаторах летательных аппаратов гражданского назначения, так и в исследовательских бортовых радиолокаторах метеорологического назначения.

Диапазон 5350-5470 МГц, или С-диапазон, рекомендован Международной организацией гражданской авиации для использования в специализированных бортовых метеорадиолокаторах тяжелых летательных аппаратов. Диапазон 9000-9500 МГц, или Х-диапазон, используется в метеонавигационных бортовых радиолокаторах летательных аппаратов общего применения. Выбор данных диапазонов - это компромисс между возможными геометрическими размерами антенных систем, используемых на борту для реализации необходимых диаграмм направленности, и характеристиками распространения СВЧ-излучения в среде с гидрометеорами (в частности, затухания). Немаловажно обеспечить при этом электромагнитную совместимость с рядом наземных систем безопасности полетов.

Для создания СМЛ на базе летательных аппаратов общего назначения оправданным выбором является диапазон 9000-9500 МГц, в частности частота 9345 ± 100 МГц, рекомендованная для использования в отечественных бортовых радиолокаторах метеорологического назначения. Установка на данный тип летательного аппарата дополнительных громоздких антенных систем плановых радиолокаторов, требующих обтекателей со значительным аэродинамическим профилем, существенно ухудшает его летно-технические характеристики. Поэтому выбраны радиолокаторы вертикального зондирования в надир и зенит с возможностью секторного электронного сканирования в плоскости, ортогональной направлению полета, на основе низкопрофильных панельных антенных систем, выполненных по технологиям активных фазированных антенных решеток (АФАР).

Создаваемая в настоящее время в России СМЛ оснащается комплексом специально разработанных когерентных радиолокаторов Х-диапазона длин волн вертикального секторного обзора на основе АФАР. Комплекс состоит из двух локаторов зондирования в зенит и надир с возможностью электронного управления положением диаграммы направленности 4 х 4° в пределах 60° в плоскости, ортогональной направлению полета. Для повышения возможностей локаторов в части обнаружения и исследования слабо отражающих в Х-диапазоне метеорологических объектов, таких как облака слоистых форм, в них используются сложные зондирующие сигналы на основе амплитудно-частотной модуляции с низким уровнем боковых лепестков автокорреляционной функции. Излучаемая мощность передающей АФАР равна 1200 Вт при соотношении излучение/пауза 1/10. Общий потенциал системы позволяет обнаруживать гидрометеоры с отражаемостью до -35 дБZ на удалении 10 км. Система синтеза, обработки сигналов и управления локатора основана на высокопроизводительном цифровом сигнальном процессоре (DSP) и программируемых логических матрицах. В локаторах применяется схема построения с раздельными передающей и приемной АФАР на основе печатных микрополосковых излучателей. Система управления АФАР позволяет создавать до 15 положений диаграммы направленности.

На рис.1 представлена структурная схема радиолокатора. В соответствии с концепцией построения радиолокатора передающая и приемная АФАР имеют по 128 активных каналов, на входах/выходах которых находятся спаренные печатные излучатели (И). Выбор типа печатного излучателя в виде многослойной структуры [3] обусловлен

Рис. 1. Структурная схема радиолокатора

заданными жесткими требованиями по ширине рабочей полосы, форме диаграммы направленности, а также технологией изготовления. В состав передающей и приемной АФАР входят по 128 спаренных печатных излучателей, по шестнадцать 8-канальных передающих и приемных модулей и 16-канальные делители/сумматоры - фазовращатели (ФВ,). Для реализации требуемого уровня пиковой мощности на передачу в каждом выходном канале передающего модуля (ПРДМ,) используется микросхема усилителя мощности М^х ХР-1006-РА с выходной мощностью ~10 Вт (УМ,). В качестве предварительного усилителя мощности выходного каскада (ПУМ,) используется микросхема усилителя мощности Mimix XP-1014-BD с выходной мощностью ~1 Вт. Требуемый уровень качества приема (коэффициент усиления ~ 34 дБ и коэффициент шума не более 2 дБ) обеспечивается использованием на входе каждого канала приемного модуля (ПРММ,) микросхемы малошумящего усилителя HMC564LC4 (МШУ,). В качестве ФВ, выбрана микросхема HMC642LC5, которая используется в приемной и передающей части. Управление шестью разрядами фазовращателя осуществляется контрольным напряжением (0 или -5 В) на шести соответствующих контактах микросхемы. В качестве делителей/сумматоров применяются микро-полосковые кольцевые развязанные делители мощности. Основным управляющим устройством выбрана ПЛИС ХС2С256 фирмы ХШих.

Внешний вид радиолокатора показан на рис.2. Каждая линейка излучателей имеет в своем составе восемь спаренных печатных

Рис.2. Вид радиолокатора со стороны излучающей и приемной апертур

излучателем, расположенных по направлению движения самолета, упакована в металлический корпус и собирается автономно. Излучающая апертура передающей и приемной АФАР состоит из шестнадцати таких линеек, каждая из которых возбуждается своим 8-канальным передающим или приемным модулем. Дополнительное преимущество предложенной конструкции излучающей апертуры состоит в том, что апертура соединяется с 8-канальными модулями через кабели и разъемы. Это, в свою очередь, позволяет автономно проверять на этапе сборки работоспособность излучающей апертуры и самих модулей.

На рис.3 представлены диаграммы направленности АФАР в плоскости сканирования для угла сканирования 0ск, равного 0 и 30°. Видно, что в секторе углов ±45° (это значительно превышает заданный сектор сканирования) отсутствуют дифракционные максимумы и уровень боковых лепестков не превышает -13,4 дБ.

Рис. 3. Рассчитанные диаграммы направленности АФАР в плоскости сканирования

Приемник-формирователь можно разделить на две функциональные части: аналоговую (СВЧ-фильтры, устройство переноса частоты и синтезаторы частот) и цифровую (устройство цифровой обработки сигналов, управления РЛС и связь с бортовыми системами). Основными функциями аналоговой части являются:

- выделение рабочей полосы частот входящего (при приеме) и выходящего (при передаче) СВЧ-сигнала;

- перенос сигналов из рабочего диапазона локатора (9,345 ± 0,03 ГГц) на низкие частоты 220 ± 30 МГц;

- регулировка усиления сигнала в зависимости от уровня мощности.

Задачи, решаемые цифровой частью:

- формирование диаграммы направленности АФАР;

- формирование и обработка зондирующего сигнала;

- обмен данными с бортовыми системами СМЛ.

Основная задача аналоговой части приемника-формирователя состоит в преобразовании частот сигнала с минимальными искажениями. Для этой цели, а также для более качественной фильтрации преобразование частоты в приемном и передающем трактах

проводится в два этапа. На первом этапе входной сигнал переносится на промежуточную частоту (2,225 ± 0,03 ГГц), на втором этапе образуется сигнал нужного вида: либо низкочастотный - в приемном модуле, либо высокочастотный - в передающем. В качестве смесителей для переноса частоты выбраны микросхемы HMC410MS8G (6,9 ГГц) и HMC214MS8 (2,225 ГГц). В целях обеспечения линейности переноса в широкой полосе частот используется квадратурная схема переноса частоты (рис.4).

Основными узлами цифровой части приемника-формирователя являются синхронизатор и вычислитель, обеспечивающие синхронизацию работы всех составных частей блока, формирование и обработку зондирующего сигнала, а также управление диаграммой направленности, модулятор и демодулятор низкочастотного сигнала, а также средства связи с внешними устройствами СМЛ. Узел синхронизатора и вычислителя реализован в ПЛИС (XC6SLX9 - на передачу, XC6SLX100 - на прием) и центральном сигнальном процессоре (ADSP21364). Модулятор реализован на основе ЦАП (MAX5889), демодулятор - на основе АЦП (AD9230). В узле сопряжения с внешними устройствами реализован канал Ethernet на основе контроллера LAN91C111.

Критериями выбора компонентов высокочастотного тракта и блока приемника-формирователя, помимо обеспечения требуемых характеристик устройства, являются их стоимость и доступность на российском рынке.

При корреляционной обработке сложных сигналов неизбежно возникают боковые лепестки автокорреляционной функции, приводящие к появлению ложных сигналов, расположенных на расстоянии длительности несжатого сигнала. Статистические исследования показывают, что динамический диапазон эхосигналов от метеообъектов достигает 80 дБ. Следовательно, радиоэхо от слабо рассеивающего отражателя может быть замаскировано боковыми лепестками интенсивных сигналов от близлежащих отражателей. Таким образом, основное требование к системе сжатия импульсов - подавление уровня боковых лепестков до значений ниже -80 дБ. Проведенное в ходе проектирования КМРЛ исследование способов подавления боковых лепестков автокорреляционной функции показало, что наилучшие характеристики имеет сигнал, структура которого определяется линейной частотной модуляцией совместно с амплитудной модуляцией импульса по закону весовой функции Кайзера [4]:

(

<«) =1 с

win

1 -

2n

N -1

И2\

[I с <Р)]-1,

где 10 - модифицированная функция Бесселя; Р - управляющий параметр, отвечающий за спад функции на краях.

На рис.5 представлена упрощенная форма используемого импульса. Алгоритм работы метеолокатора следующий. Приведенный импульс с длительностью 1 мкс и базой 60 генерируется в ПЛИС непосредственно на промежуточной час-

2

Р

тоте 200 МГц с полосой 60 МГц. Используется целочисленная арифметика, разрядность каждого отсчета импульса составляет 12 бит. Частота дискретизации импульса в соответствии со скоростью работы ЦАП составляет 600 МГц.

Принятый отклик фильтруется и переносится на низкую частоту. Далее преобразованный импульс с частотой 200 ± 30 МГц поступает на АЦП со скоростью 250 МГц. В соответствии с известными законами дискретизации сигналов [5] на ПЛИС поступает зеркальная копия оцифрованного сигнала с полосой частот 60 МГц. Согласованная фильтрация реализована в ПЛИС в виде цифрового фильтра с конечной импульсной характеристикой, порядок (количество коэффициентов) которого определяется количеством отсчетов обрабатываемого импульса и равен 250. На основе анализа сжатого сигнала принимается решение о наличии (либо отсутствии) объекта поиска.

По результатам проведенных исследований по созданию КМРЛ самолетного базирования можно сделать следующие выводы:

- на данном этапе развития микроэлектроники возможно использование в качестве зондирующего импульса сложных сигналов с большой базой, например сигналов с линейной частотной модуляцией, для обеспечения необходимой точности определения параметров метеообъекта;

- ключевым параметром при выборе ПЛИС для систем реального времени является поддерживаемая скорость приема информационного потока;

- при использовании согласованной фильтрации для целей метеорадиолокации в силу широкого динамического диапазона эхосигналов от метеообъектов успешно применяются методы подавления боковых лепестков автокорреляционной функции с уровнем подавления ниже -80 дБ.

Таким образом, разработанный для СМЛ нового поколения когерентный метеорологический радиолокатор вертикального секторного обзора на основе АФАР позволяет проводить исследования в области физики и динамики облаков и облачных систем и активных воздействий на них. Полученный опыт в разработке планарных АФАР с ограниченными углами управления положением диаграммы направленности позволяет перейти к разработкам конформных (минимально искажающих аэродинамический профиль носителя) всеракурсных КМРЛ для СМЛ следующего поколения.

Литература

1. http://www.aoc.noaa.gov/aircraft_lockheed.htm

2. http://www.aoml.noaa.gov/hrd/HRD-P3_radar.html#allen

3. Чистюхин В.В., Катаев Н.К. Практическая реализация печатных микрополосковых антенн СВЧ и ММ диапазонов // Тез. XII Всерос. школы-конф. по дифракции и распространению волн (Москва, 19-23 дек. 2001 г.). - 2001. - С. 43.

4. Суханов Е.С., Лялин К.С. Сравнительный анализ методов подавления боковых лепестков автокорреляционной функции в метеорадиолокации // Изв. вузов. Электроника. - 2012. - № 3(95). - С. 58-63.

5. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. - М.: Техносфера, 2009. - С 565-580.

Статья поступила 21 июня 2013 г.

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Длительность, мкс

Рис.5. Форма зондирующего импульса

Азаров Александр Сергеевич - кандидат физико-математических наук, заместитель директора центральной аэрологической обсерватории (г. Долгопрудный). Область научных интересов: радиолокационные методы исследования параметров атмосферы.

Лялин Константин Сергеевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры микроэлектронных радиотехнических устройств и систем (МРТУС) МИЭТ. Область научных интересов: антенные решетки, активные фазированные антенные решетки, цифровые антенные решетки, радиолокационные системы.

Суханов Евгений Сергеевич - аспирант кафедры МРТУС МИЭТ. Область научных интересов: антенные решетки, активные фазированные антенные решетки, цифровые антенные решетки, радиолокационные системы. E-mail: sukhanoves@gmail.com

Чистюхин Виктор Васильевич - кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой МРТУС МИЭТ. Область научных интересов: антенные решетки, активные фазированные антенные решетки, цифровые антенные решетки.

ПРОБЛЕМЫ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

УДК 621.3.049.77

Учебный практикум по проектированию интегральных схем

Е.Ф. Певцов, А. С. Сигов, А.А. Шнякин

Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики

Обобщен опыт создания общих и специализированных практикумов для подготовки и переподготовки специалистов, владеющих современными инструментами проектирования и моделирования работы СБИС, систем на кристалле и МЭМС. Основой для практикумов служат комплексные профессиональные пакеты программных продуктов для проектирования устройств и приборов микроэлектроники, предоставленных Университету в рамках учебных и академических программ известными мировыми лидерами в области разработки САПР: компаниями Cadence Design Systems, Synopsys, Coventor, Mentor Graphics, Xilinx и др.

Ключевые слова: системы автоматизированного проектирования СБИС, учебные практикумы по проектированию СБИС и систем на кристалле, инструменты моделирования и верификации ИС.

При разработке современных СБИС с широкими функциональными возможностями актуальна проблема, обусловленная отставанием роста производительности проектирования и ограничением интенсификации работы коллективов проектировщиков интегральных схем от степени сложности проектов и требуемых сроков вывода продукции на рынок. Существование этих «технологических ножниц» стимулирует интенсивные исследования в области повышения уровней абстракции проектов, создания более производительных методик и программных средств для постоянного совершенствования средств автоматизированного проектирования (САПР) интегральных схем.

Существенным фактором, оказывающим решающее влияние на стоимость и эффективность проектов СБИС, а также других современных изделий микроэлектроники, является применение эффективных методик и способов их моделирования. Проектные процедуры верификации и симуляции работы интегральных схем позволяют предусмотреть и учесть проблемы, которые могут возникнуть при их физической реализации как в результате ошибок проектирования, так и в результате действия паразитных эффектов в кристаллах субмикронной топологии и с многими уровнями металлизации.

Фактором, сокращающим технологическое отставание производительности проектирования ИС от роста сложности проектов, является подготовка и повышение квалификации разработчиков, особенно отечественных, способных успешно конкурировать на международном рынке труда и обеспечивать выполнение разработок импортозамещающих изделий твердотельной микроэлектроники и электронных приборов и устройств широкого назначения.

© Е.Ф. Певцов, А.С. Сигов, А.А. Шнякин, 2014