МОДУЛЬ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
MODULE OF ACTIVE PHASED ARRAY

Изобретение относится к области радиолокационной техники, в частности к активным фазированным антенным решеткам (АФАР).
Известны приемные, передающие и приемо-передающие модули с несколькими идентичными каналами в одном корпусе. Как правило, такие конструкции позволяют решать задачи экономии в отношении массогабаритных характеристик модулей и всей системы АФАР. Особенно это актуально применительно к бортовым системам и системам, требующим использования мощных передающих устройств.
Известен малогабаритный модуль-аналог предлагаемого изобретения, включающий 3 приемных СВЧ-канала. Конструктивно все три канала размещены внутри корпуса на одной плоскости [1].
В изделии ППМ4-1300-100 [2] реализован четырехканальный приемо-передающий модуль с высокой выходной импульсной мощностью в режиме передачи. Все 4 канала в этом модуле размещены в одной плоскости. Конструкция этого модуля, являющегося прототипом предлагаемого изобретения, схематично показана на фиг.1.
Каждый приемо-передающий канал включает передающий тракт (1-i), приемный тракт (2-i), переключатель прием-передача (3-i). Все каналы располагаются на общем плоском теплоотводе (4). Узлы блока управления (5) размещены на той же плоскости и частично под нею за счет выборки в теплоотводе.
Блок управления в модуле-прототипе помимо цепей управления включает дополнительные узлы предварительного усилителя мощности, фазовращатели, делители и сумматоры СВЧ-сигналов, а также цепи питания.
Конструкция модуля прототипа обеспечивает существенную экономию массы и габаритов в сравнении с вариантом использования одноканальной конструкции модуля. Планарное размещение узлов приемных и передающих трактов многоканального модуля обеспечивает удобство сборки, настройки и контроля электрических характеристик на разных этапах изготовления, что является важным условием серийноспособности изделия.
Однако применительно к бортовой аппаратуре необходима более высокая плотность размещения элементов и узлов модуля в выделенном объеме, кроме того, недостатком планарного размещения каналов являются неизбежные краевые искажения электродинамических характеристик каналов, что мешает достижению их идентичности по электрическим параметрам. Это обстоятельство в конечном итоге приводит к необходимости увеличения габаритов модуля.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание конструкции 4-х канального модуля АФАР, позволяющей разместить узлы приемных и передающих трактов, а также узлы системы управления и схемы питания в одном корпусе при гарантированной симметрии электродинамических характеристик каналов и при существенно меньших габаритах модуля в целом. Кроме того, предлагаемая конструкция позволяет сохранить достоинства прототипа в отношении удобства сборки и настройки критичных СВЧ-цепей.
Названные результаты достигнуты благодаря применению объемной интеграции СВЧ-узлов, образующих приемные и предающие каналы, причем каждый из каналов, включая все его составляющие узлы, расположены зеркально симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через основную продольную ось модуля. Ряд узлов управления также размещен симметрично в соответствии с выше названным принципом симметрии, однако общие для всех каналов схемы управления и питания сосредоточены в блоке управления, который расположен в средней части модуля и не подчиняется названному выше принципу симметрии.
Схематически конструкция 4-х канального модуля, реализующая предлагаемое изобретение, изображена на фиг.2.
На фиг.3 показан принцип сборки и последующей герметизации модуля с помощью верхней и нижней крышек.
Наиболее критичными являются СВЧ-узлы передающих каналов. Именно они в наибольшей степени определяют габариты модуля, кроме того, именно передающий тракт наиболее чувствителен к электродинамической реализации, он требует поэтапной и финишной настройки и контроля в процессе сборки модуля. Узлы приемных каналов также чувствительны к электродинамической реализации, однако приемный тракт, как правило, не требует настройки. Индивидуальные узлы управления, как и общий блок управления, также не требуют настройки в процессе сборки модуля.
Все СВЧ-узлы приемо-передающих каналов, а также все индивидуальные узлы управления, питания и защиты размещены на двух пластинах-основаниях (1), причем передающие каналы (2-1, 2-2, 2-3 и 2-4) попарно размещены на внешних поверхностях пластин-оснований. Там же размещены развязывающие ферритовые вентили и платы переключения «прием-передача» (3-1, 3-2, 3-3 и 3-4). Приемные каналы (4-1, 4-2, 4-3 и 4-4) попарно расположены на внутренних поверхностях плат-оснований. Индивидуальные узлы управления, питания и защиты также размещены на внутренних поверхностях плат-оснований.
Общий для модуля блок управления из трех фрагментов (5, 5а и 5б) включает сборки накопительных конденсаторов, обеспечивающих импульсный режим работы передающих каналов, а также узлы стабилизации напряжения питания, узлы контроля и защиты.
В корпусе модуля (6) предусмотрены относительно массивные продольные основания (7), которые в некоторых модификациях модулей несут в себе канал жидкостного охлаждения.
После установки плат-оснований симметрично сверху и снизу в корпус модуля образуется конструкция с заявленным типом симметрии, которая обеспечивает максимальное использование объема модуля и, соответственно, минимальные габариты. Кроме того, зеркально симметричное взаимное расположение СВЧ-каналов как передающих, так и приемных обеспечивает полную однотипность электродинамической реализации всех 4-х каналов, что исключает необходимость в их системной коррекции.
Это обстоятельство, как и сниженные габариты, принципиально отличает описываемый модуль от прототипа.
Как видно из фиг.2 и фиг.3, при снятых крышках (8) наиболее критичные СВЧ-узлы передающих каналов оказываются доступны для настройки и промежуточного контроля, что позволяет сохранить достоинства конструкции прототипа. Предварительная настройка каждого канала возможна для собранной платы-основания вне корпуса. Практически удается реализовать характеристики каналов с малым разбросом, поскольку конструкция модуля обеспечивает идентичность электродинамических параметров всех каналов, а упомянутая настройка необходима лишь для преодоления последствий разброса параметров мощных СВЧ-транзисторов и технологического разброса при сборке.
Созданный модуль имеет на верхней частоте рабочей полосы частот 1,5 ГГц выходную импульсную мощность каждого канала 250 Вт при длительности радиоимпульса 10 мкс и скважности 80. Коэффициент шума приемных каналов менее 6 дБ, масса модуля 2,8 кг, объем 2,2 л. В указанном режиме возможности жидкостного охлаждения использованы менее, чем наполовину. Достигнутые энергетические и массогабаритные характеристики созданного модуля и прототипа можно сравнивать лишь очень условно, поскольку радиоимпульсный режим прототипа несколько другой. Для него выходная радиоимпульсная мощность каждого канала 70 Вт при скважности 10, масса модуля 10 кг, объем 10,3 л.
Таким образом, удельная суммарная импульсная мощность на единицу объема составляет для прототипа примерно 28 Вт/л, а для объемно-интегрированного модуля, реализующего предлагаемое изобретение, 450 Вт/л.
Если провести сравнение для средней выходной мощности, то для прототипа это будет 2,8 Вт/л, а для нового модуля 5,6 Вт/л, т.е. в первом случае выигрыш составил 12 дБ, а во втором - 3 дБ.
Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что 4 приемо-передающих СВЧ-канала модуля объемно интегрированы в конструкцию, обладающую зеркальной симметрией относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через основную продольную ось модуля, при этом управляющий блок размещен в средней части модуля и в общем случае не подчинен упомянутому принципу симметрии.
Технический результат изобретения реализуется лишь при совокупном использовании его отличительных признаков.
Неочевидность предлагаемого изобретения можно проиллюстрировать тем, что иное объемное интегрирование СВЧ-узлов создает разные электродинамические реализации для каждого канала либо приводит к трудноразрешимым проблемам настройки критичных СВЧ-цепей.
Литература
(1) Трехканальный приемник 8 мм диапазона М55139 В.Г.Божков, В.А.Геннеберг, А.И.Попов, В.Н.Романовская, Т.М.Табакова, ОАО НИИПП, г.Томск.
Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА. Материалы 4-й научно-технической конференции. «Пульсар». Часть 2, Стр.168.
Владимир, 21-23 марта 2007 г.
(2) ФГУП НПП «Пульсар». ОКР «Печенег» 2001 г. Приемопередающий модуль - ППМ-4-1300-100. (БКВП.434856.025).