Устройство управления ферритовыми фазовращателями модульной фазированной антенной решетки
CONTROL DEVICE FOR FERRITE PHASE CHANGERS MODULAR PHASED ARRAY

Изобретение относится к области систем распределенного управления положением и формой диаграммы направленности (ДН) плоских, построенных по модульному принципу фазированных антенных решеток (ФАР) проходного или отражательного типа на основе ферритовых фазовращателей.
Известна распределенная система управления лучом, построенная в виде модулей устройств управления лучом (УУЛ), объединенных по совокупности в ФАР и управляемых одним или несколькими блоками управления лучом (БУЛ), отвечающим за трансляцию команд от внешней ЭВМ по каналу RS-422 в команды управления для каждого из модулей УУЛ посредствам SPI интерфейсов, работающих одновременно (патент №2632983, опубл. 25.09.2017). При этом вычисление фазовых сдвигов для группы фазовращателей производится непосредственно в процессорах модулей УУЛ по переданным исходным данным от БУЛ, что хоть и происходит с достаточно высокой скоростью за счет распределения вычисления, тем не менее приводит к необходимости использования высокопроизводительного вычислительного автомата, что сказывается на сложности, надежности, потребляемой мощности и стоимости устройства. К тому же, упомянутое устройство предназначено для управления фазовращателями с одной обмоткой, которая используется как для набора фазы за счет намагничивания феррита, так и обнуления за счет импульса размагничивания, что накладывает некоторые специфические особенности на схему формирователя токовых импульсов обмотки, связанные с необходимостью использования управляемой балластной нагрузки при размагничивании, что сказывается на потреблении мощности и тепловыделении, а также использовании вторичных импульсных источников питания (ИВЭП), влияющих на КПД и уровень генерируемых радио помех.
Известно устройство управления фазовым распределением в фазированной антенной решетке по патенту №2276435 (опубл. 10.05.2006), в котором при расчете фазового распределения фазовращателей используется строчно-столбцевый метод расчета составляющих фазового сдвига по координатам азимута и угла места, вычисленных БУЛ, суммирование которых производится мультиплексирующим устройством, выход которого также задает длительность управляющего импульса. В известной схеме, ввиду требования управления обмотками всех фазовращателей псевдослучайным выбором по раскрыву ФАР, для снижения взаимного влияния и уровня бокового излучения (УБЛ) используется N ИВЭП, повышающих ток потребления, и производится N-тактовое фазирование, где N определяется количеством фазовращателей, что делает затруднительным реализацию распределенного суммирования кодов угла места и азимута многоэлементных ФАР, вследствие чего снижается скорость сканирования.
Известно устройство командного управления фазовращателями фазированной антенной решетки по патенту №56725 (опубл. 10.05.2006). В этом устройстве, наиболее близком к предлагаемому, допускается возможность исключения из его состава БУЛ как такового, при этом передача команд управления каждому элементу ФАР осуществляется центральным вычислительным устройством (ЦВУ) посредством единого последовательного интерфейса, а расчет необходимого фазового сдвига с учетом разброса характеристик фазовращателей и температуры окружающей среды производится микропроцессором, которым оснащен каждый управляемый канал фазовращателя. В составе каждого канала используется адаптивная система формирования импульсов размагничивания, что оптимизирует время работы фазовращателя и снижает ток обнуления. Несмотря на возможность миниатюризации известного решения в виде микросхемы типа «система на кристалле», реализация по-прежнему остается сложной и не оправдывающей снижение мощности потребления, в особенности в составе ФАР с большим числом фазовращателей, разброс параметров которых может достигать нескольких десятков процентов. В таком случае использование импульса размагничивания фиксированной длительности, определенной фазовращателем с худшими параметрами, помогло бы упростить схему, в оправданной мере увеличив ток потребления.
Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения количества вычислительных устройств, устройств коммутации обмоток фазовращателей, обеспечения высокой точности установки фазового распределения апертурной ФАР, реализации модульного принципа построения ФАР при сохранении достаточно высокого быстродействия и низкого потребления мощности.
Технический результат заключается в создании микросхемы на основе БМК и коммутаторов обмоток фазовращателей, которые, будучи скомпонованными в устройство управления, позволяют реализовать управление группы фазовращателей, таким образом решая поставленную задачу.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство управления ферритовыми фазовращателями модульной ФАР с интерфейсом для объединения модулей подрешеток, содержащее коммутаторы намагничивания и размагничивания фазовращателей, устройство управления с установленной микросхемой Flash памяти для хранения фазовременньгх характеристик фазовращателей, введена полузаказная микросхема БИС базового матричного кристалла (БМК), внутри которой реализованы сумматор, рассчитывающий коды фазовых составляющих для группы фазовращателей, формирователь управления Flash памяти, двунаправленный шинный формирователь и блоки формирователей импульсов длительности, количество которых соответствует числу обмоток намагничивания строки.
При этом, интерфейс выполнен параллельного типа для подключения шины обмена данными, связывающей все модули подрешеток с одной стороны и устройство мультиплексирования каналов, сопряженное с БУЛ, с другой стороны.
При этом, управление по шине обмена данными осуществляется строчно-столбцевым способом и охватывает группы из коммутаторов намагничивания столбцов, количество которых соответствует количеству формирователей импульсов длительности в микросхеме БМК, подключенных к одному концу каждой из обмоток намагничивания фазовращателей, и двух коммутаторов намагничивания двух строк, подключенных к другому концу обмоток намагничивания фазовращателей, объединенных между собой построчно в любом количестве до тридцати шести штук, при этом в составе подрешеток ФАР намагничивание всех строк происходит в два такта по четным и нечетным строкам, причем каждый коммутатор намагничивания строки подключен с одной стороны к положительному выводу источника питания, с другой - к началу обмоток намагничивания фазовращателей соответствующей строки и содержит ключ группы обмоток намагничивания, его драйвер и формирователь импульса контроля строки.
При этом, каждый коммутатор намагничивания столбца коммутирует концы соответствующих обмоток намагничивания фазовращателей с земляным потенциалом и состоит из ключа обмотки намагничивания, ограничителя напряжения обратной ЭДС намагничивания и формирователя импульса контроля.
При этом, коммутаторы размагничивания группы, число которых соответствует количеству групп обмоток размагничивания, каждый из которых коммутирует с земляным потенциалом один конец группы обмоток размагничивания фазовращателей, другой конец которой соединен с положительным выводом источника питания и конденсатором.
При этом, каждый коммутатор размагничивания группы содержит ключ размагничивания, ограничитель напряжения обратной ЭДС размагничивания, датчик тока, формирователь импульса контроля размагничивания, драйвер ключа размагничивания, устройство защиты.
При этом, управляющие входы коммутаторов размагничивания фазовращателей объединены и являются входом импульса обнуления, длительность которого фиксирована и определена максимальным временем размагничивания всех фазовращателей ФАР.
При этом, устройство управления содержит мультиплексор, селектирующий входящие в него сигналы формирователей импульса контроля размагничивания от каждого коммутатора размагничивания группы, сигналы формирователей импульса контроля строки от каждого коммутатора намагничивания строки и сигналы формирователей импульса контроля от каждого коммутатора намагничивания столбца и транслирующий их на шину обмена данными для анализа в БУЛ.
С целью решения задачи предлагается реализовать в модулях подрешеток ФАР, состоящих из двух строк и до тридцати шести столбцов, массив которых может образовывать полотно ФАР, устройство управления, характеризующееся высокой скоростью сканирования луча за счет быстродействия распределенного вычислительно-управляющего строчно-столбцевым способом устройства коммутации обмоток намагничивания и размагничивания ферритовых фазовращателей, реализованного в полузаказной БИС на основе БМК в каждом из модулей, управляемых параллельной шиной одним или несколькими БУЛ, высокой надежностью за счет встроенной системы контроля целостности обмоток фазовращателей, встроенной схемы триггерной защиты по току всех ключей обнуления фазовращателей, использованием импульса обнуления фиксированной длительности, определенной фазовращателем с худшими параметрами, возможностью синтеза специальных форм луча за счет записанных в Flash память диаграмообразующих фазовых сдвигов, а также возможностью выравнивания фазовременньгх характеристик с последующим их занесением в Flash память.
Устройство управления модулей подрешеток ФАР предлагается реализовывать в виде сборочных единиц, управляющих группой ферритовых фазовращателей проходного или отражательного типа, расположенных в количестве не более тридцати шести штук в каждой из двух строк, содержащих по две обмотки: обмотку намагничивания, предназначенную для набора необходимой фазы, и обмотку размагничивания, предназначенную для возврата фазы в исходное состояние, включающее в себя устройство коммутации, содержащее ключи намагничивания и размагничивания групп фазовращателей и устройство управления на основе БМК, производящее расчет фазовых значений каждого канала по исходным данным на шине управления группой аналогичных модулей подрешеток ФАР, управляющее ключами намагничивания и размагничивания, производящее контроль целостности обмоток фазовращателей и предоставляющее доступ к интерфейсу программирования встроенной Flash памяти, содержащей фазовые поправки фазовременньгх характеристик и специальных форм лучей.
Новым является устройство управления групп фазовращателей, количество которых оптимально для обеспечения скорости вычисления фазового распределения строчно-столбцевым способом, оптимальных токов потребления, включающее в себя коммутаторы обмоток намагничивания и размагничивания, триггерную защиту обмоток размагничивания, при этом управление коммутаторами фазовращателей осуществляется полузаказной микросхемой на основе БМК. За счет этого достигается высокое быстродействие и точность установки фазового распределения, низкое потребление мощности перемагничивания фазовращателей, высокая надежность и обеспечение возможности создания ФАР с большим количеством фазовращателей.
Модули подрешеток ФАР с устройством управления предлагается комбинировать для построения ФАР требуемой геометрии с учетом удобства в зависимости от типа подвода СВЧ мощности к фазовращателям.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фигурах 1-7.
На фиг. 1 приведена структурная схема модуля подрешетки.
На фиг. 2 приведена структурная схема мало апертурной ФАР, состоящей из модулей подрешеток.
На фиг. 3 приведена структурная схема коммутатора намагничивания столбца.
На фиг. 4 приведена структурная схема коммутатора намагничивания строки.
На фиг. 5 приведена структурная схема коммутатора размагничивания группы.
На фиг. 6 приведена структурная схема устройства управления.
На фиг. 7 приведена структурная схема апертурной ФАР, состоящей из модулей подрешеток.
Модуль подрешетки 1, представленный на Фиг. 1, образуют группа из двух строк ферритовых фазовращателей 2 и устройство управления фазовращателями 3. Обмотки размагничивания 4 соединены последовательно с использованием высокоомного проводника 5, ограничивающего ток размагничивания, и выделены в четыре группы 6 до 18 элементов в каждой. Обмотки намагничивания 7 фазовращателей объединены в группы 8 до тридцати шести штук построчно.
Устройство управления фазовращателями 3 включает в себя устройство управления 9, коммутаторы намагничивания столбца 10, коммутаторы размагничивания 11, источник питания Е и конденсатор 12. Коммутаторы 10, 11 конструктивно объединены в группы 13, 14 соответственно.
Устройство управления 9 содержит: полузаказную микросхему БИС базового матричного кристалла (БМК 1537ХМ2-253) 15, внутри которой реализован сумматор 16, рассчитывающий коды фазовых составляющих для группы фазовращателей, формирователь 17 управления Flash памяти 18, двунаправленный шинный формирователь 19 и тридцать шесть блоков формирователей импульсов длительности 20. Устройство управления 9 также включает: коммутатор намагничивания строки 21, мультиплексор линий контроля 22.
Коммутатор намагничивания столбца 10 состоит из формирователя импульса контроля 23, ограничителя напряжения обратной ЭДС намагничивания 24, ключа 25 обмотки намагничивания 7. При этом выходы формирователей импульса контроля всех коммутаторов намагничивания столбца 10 объединены и являются выходом импульса контроля «Контр. УПР».
Коммутатор намагничивания строки 21 состоит из ключа 26 группы обмоток намагничивания 8, драйвера 27 ключа 26, формирователя импульса контроля строки 28.
Коммутатор размагничивания 11 состоит из буфера 29, формирователя импульса контроля размагничивания 30, драйвера 31 ключа размагничивания 32, защиты 33 ключа размагничивания 32, датчика тока 34, ограничителя напряжения обратной ЭДС размагничивания 35.
Управление элементами ФАР осуществляется посредством параллельного интерфейса для подключения шины обмена данными 36, объединяющей модули подрешеток 1 с одной стороны и устройство мультиплексирования каналов 37, сопряженное с БУЛ 38, с другой стороны.
Входы каждой группы 6 обмоток размагничивания 4 объединены положительным входом источника питания Е и конденсатором 12 для обеспечения необходимого тока размагничивания за фиксированный промежуток времени. Выход каждой из групп 6 размагничивания соединен с соответствующим коммутатором размагничивания 11, замыкающим цепь размагничивания к нулевому выводу источника питания Е. При этом управляющие входы коммутаторов 11 объединены и являются входом сигнала «Имп.обнул.».
Начала обмоток намагничивания 7 каждой строки объединены и соединены с соответствующим коммутатором намагничивания строки 21, коммутирующему их к положительному выводу источника питания. Концы смежных обмоток намагничивания 7 двух строк объединены и соединены с соответствующими коммутаторами намагничивания столбцов 10, которые коммутируют их к нулевому выводу источника питания.
Работа устройства управления ферритовыми фазовращателями модульной ФАР осуществляется следующим образом.
Перед началом процедуры расчета и выдачи управляющих импульсов намагничивания и набора фазы на все модули подрешеток одновременно через управляющие входы коммутаторов 11 подают сигнал «Имп.обнул.». Данный импульс, пройдя через устройство управления 9, поступает на вход буфера 29 (Фиг. 5), который выполняет функцию развязки и согласования уровней. Далее, сигнал с выхода буфера 29 поступает на вход драйвера 31, который усиливает входной сигнал до уровня, необходимого для управления токовым ключом размагничивания 32, в качестве которого используется мощный полевой транзистор с изолированным затвором. Ограничитель напряжения обратной ЭДС размагничивания 35 ограничивает индуктивные выбросы напряжения на ключе размагничивания 32 до безопасного уровня. Формирователь импульса контроля размагничивания 30 улавливает индуктивные выбросы, формирующиеся при коммутации обмоток, и преобразует их в импульсы с ТТЛ уровнями для дальнейшего анализа в устройстве управления 9. Датчик тока 34 анализирует ток, проходящий через ключ размагничивания 32, используя в качестве датчика сопротивление канала сток исток полевого транзистора. Сигнал с выхода датчика тока 34 поступает на вход элемента защиты 33 ключа размагничивания 32. При достижении тока через ключ 32 некоторого максимального значения происходит срабатывание элемента защиты 33. Сработавший элемент защиты 33 блокирует драйвер 31 ключа размагничивания и тем самым выключает ключ размагничивания 32. Элемент защиты 33 обладает триггерным эффектом и остается в сработавшем состоянии до отключения управляющего сигнала «Имп.обнул.» или напряжения питания коммутаторов размагничивания 11.
Использование элемента защиты 33, ключа размагничивания на полевом транзисторе с изолированным затвором, а также простота соединения обмоток размагничивания с помощью токоограничивающего высокоомного проводника 5 позволяют использовать импульс обнуления фиксированной длительности, определенного фазовращателем с худшим временем размагничивания.
Затем с устройства управления 9 на соответствующие управляющие входы коммутаторов 10 намагничивания столбцов поступает строб управления длительностью импульса намагничивания, который переключает ключ 25 обмотки намагничивания 7, представляющий из себя составной транзистор, включенный по схеме Дарлингтона. Управление ключом 25 производится ТТЛ уровнями напряжения. Ограничитель напряжения обратной ЭДС намагничивания 24 ограничивает индуктивные выбросы напряжения на ключе 25 до безопасного уровня. Формирователь импульса контроля столбца 23 улавливает индуктивные выбросы, формирующиеся при коммутации обмоток набора фазы, и преобразует их в импульсы с ТТЛ уровнями для дальнейшего анализа в устройстве управления 9.
Для намагничивания всех элементов строки сначала выдают строб на драйвер ключа 27 соответствующего коммутатора намагничивания строки 21. Усиленный строб открывает ключ 26, замыкающий начало обмоток намагничивания строки 7 к положительному выводу источника питания. Формирователь импульса контроля строки 28, реализованный в виде делителя напряжения, связан с устройством управления 9, где происходит его дальнейший анализ. Затем на коммутаторы намагничивания столбцов 10 подают импульсы необходимой длительности, соответствующие сдвигу фазы. Для объединения модулей подрешетки в единую ФАР (Фиг. 6), при отсутствии взаимного влияния намагничивания на смежные элементы, рационально производить фазирование ФАР в два такта по четным и нечетным строкам.
В основе устройства управления 9 лежит полузаказная микросхема БМК 1537ХМ2-253 15, состоящая из сумматора 16, формирователя 17 управления Flash памяти 18, двунаправленного шинного формирователя 19 и тридцати шести формирователей импульсов длительности 20. Двунаправленный шинный формирователь 19 предназначен для сопряжения шины обмена данными 36 с шиной данных внешней микросхемы Flash памяти 18 с целью обеспечения возможности ее чтения и записи в процессе настройки. Формирователь 17 управления Flash памяти 18 отвечает за сигналы управления WE, ОЕ, переводящие микросхему внешней Flash памяти 18 в режим чтения или записи.
Х
у
nm
х
у
mn
х
x
y
y
nm
nm
nm
nm
nm
nm
Как известно, для установки луча антенной решетки в направлении θ, θ каждый элемент, находящийся в n-й строке m-м столбце, должен обеспечивать сдвиг фазы φ=Δϕ⋅n+Δϕ⋅m+D, где Δϕ⋅n=k⋅Δх⋅cos(θ)⋅n; Δϕ⋅m=k⋅Δy⋅cos(θ)⋅m - фазовые составляющие по азимуту и углу места, расчет которых производится в БУЛ 38. D=Ф+f - фазовая поправка, учитывающая характеристику фазовращателя на заданной частоте (Ф) и добавку для получения луча специальной формы (f). На практике прямой расчет φ требует значительных вычислительных ресурсов, сильно усложняющих реализацию.
nm
nm
ϕ
nm
nm
nm
nm
nm
nm
nm
nm
nm
x
у
nm
nm
nm
6
Так как сдвиг фазы каждого элемента зависит от длительности импульса намагничивания φ=f (τ), с учетом дискретности формирования импульса, , где  определяется квантованием фазы. Таким образом, например, при Δϕ=5,625°, n - 64, что определяет разрядность значения кода длительности и фазы как 2. Это означает, что, определив с помощью измерительного прибора значения φ=f (τ) Ддя всех i = 0…63, и записав их в Flash память, можно однозначно определить значение длительности импульса намагничивания τ=F (φ) для получения необходимого фазового сдвига φ, задаваемого как адрес ячейки в памяти. В реальности, значение фазы зависит также от частоты работы фазовращателя φ = f(τ, ν), где ν - номер частоты. Тем не менее, фиксация фазовых значений на всех частотах при i=0…63 также однозначно определит τ=F (φ, ν). При необходимости формирования диаграммы направленности специальной формы заранее рассчитанные фазовые значения f, не зависящие от θ, θ, добавляются к распределению φ, которые также можно учесть в микросхеме Flash памяти, выделив дополнительные значения в адресном пространстве, что определит τ=F (φ, ν, k), где k - номер луча специальной формы.
у
х
nm
Учитывая вышеизложенное, для вычисления кодов фазовых поправок элементов ФАР по азимутальной и угломестной составляющим в микросхеме БМК реализован сумматор 16. В его внутренний регистр БУЛ 38 сначала записывает значение кода фазовой составляющей угла места Δϕ⋅m при наличии высокого уровня на линии «Аз/УМ». После чего, при наличии низкого уровня на линии «Аз/УМ», на вход «Фаза» подается код азимутальной составляющей фазы Δϕ⋅n, что в результате на выходе дает код, соответствующий их сумме, который затем подается на младшую часть адресного вектора Flash памяти 18. Старшая часть адресного вектора должна указывать на номер канала, как пит, частоту v, а также тип формы луча к. Выдаваемый на информационном выходе микросхемы Flash памяти код τ поступает на информационный вход одного из формирователей импульсов длительности 20, мультиплексируемых вектором номера канала «Адр.упр».
Мультиплексор линий контроля 22 устройства управления 9 предназначен для сбора, селекции на линию «Контр.», в соответствии с кодом на шине «Адр. Контр.», и дальнейшего анализа в БУЛ одного из семи источников импульсов контроля, включающих импульсы контроля строки обмоток намагничивания «Имп. контр.1», «Имп. контр.2», импульсы контроля столбцов обмоток намагничивания «Контр. УПР», импульсы контроля обмоток размагничивания «Контр. Обн.1», «Контр. Обн.2», «Контр. Обн.3», «Контр. Обн.4».
Реализация ФАР, состоящей из модулей подрешеток, представлена на фиг. 2, фиг. 7. Данные модули комбинируются с учетом удобства компоновки, в зависимости от типа подвода СВЧ мощности к фазовращателям, апертуры и частоты работы.
у
х
Все модули объединяются параллельной шиной обмена 36, по которой передаются коды фазовой составляющей угла места Δϕ⋅m, коды азимутальной составляющей фазы Δϕ⋅n, где пит строки и столбцы ФАР, опорная частота работы формирователей импульсов длительности, импульсы управления коммутаторами обмоток размагничивания, обмоток намагничивания строк, импульсы контроля, а также шина питания. Данная параллельная шина 36 подключена к устройствам управления 9 каждого из модулей с одной стороны и устройством мультиплексирования каналов 37 с другой. Устройство мультиплексирования каналов 37 сопряжено непосредственно с БУЛ 38.
Для построения апертурных антенн, число элементов в строке которой более тридцати шести штук, необходимо комбинировать модули подрешеток ФАР аналогично эскизу на Фиг. 7. При этом БУЛ должен иметь возможность управлять несколькими устройствами мультиплексирования каналов 37.
Устройство управления ферритовыми фазовращателями модульной ФАР 3 является функционально законченным элементом управления ФАР, позволяющим производить расчет фазового сдвига всех элементов распределенным строчно-столбцевым способом, осуществляющим коммутацию обмоток намагничивания и размагничивания, мониторинг целостности обмоток, а также предоставляющим доступ к интерфейсу программирования встроенной Flash памяти, содержащей фазовые поправки фазовременньгх характеристик и специальных форм лучей. Устройство может быть использовано в качестве унифицированной сборочной единицы при построении апертурных и мало апертурных ФАР для РЛС среднего и малого радиуса действия, базирующихся на САУ типа БУК-М2, БУК-М3.
Предлагается реализовать в модулях подрешеток ФАР, состоящих из двух строк и до тридцати шести столбцов, массив которых может образовывать полотно ФАР, устройство управления, характеризующееся высокой скоростью сканирования луча за счет быстродействия распределенного вычислительно-управляющего строчно-столбцевым способом устройства коммутации обмоток намагничивания и размагничивания ферритовых фазовращателей, реализованного в полузаказной БИС на основе БМК в каждом из модулей, управляемых параллельной шиной одним или несколькими БУЛ, высокой надежностью за счет встроенной системы контроля целостности обмоток фазовращателей, встроенной схемы триггерной защиты по току всех ключей обнуления фазовращателей, использованием импульса обнуления фиксированной длительности, определенной фазовращателем с худшими параметрами, возможностью синтеза специальных форм луча за счет записанных в Flash память диаграммообразующих фазовых сдвигов, а также возможностью выравнивания фазовременных характеристик с последующим их занесением в Flash память.
Предлагаемое изобретение может быть изготовлено с помощью известных средств и технологий.