Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона
TRANSCEIVING MODULE OF ACTIVE PHASED ARRAY OF MICROWAVE RANGE

Изобретение относится к радиоэлектронным устройствам, а именно к конструкции приемопередающих модулей активных фазированных антенных решеток СВЧ-диапазона.
Известен приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки, содержащий приемный и передающий каналы [III-Vs Review. The Advanced Semiconductor Magazine, 26 May 2006. Новости СВЧ-техники, изд. ФГУП «НИИ «Исток», 2006, №6, с. 11-12]. Приемный канал включает защитное устройство и последовательно соединенный с ним малошумящий усилитель и первый переключатель прием /передача. Передающий канал включает второй переключатель прием /передача, предварительный усилитель и последовательно включенный с ним выходной усилитель мощности. Переключатель прием /передача на 2 положения, контакт «вход-выход», которого является выходом модуля, подключен к двум, к первому и второму переключателям на 2 положения, которые соединены через цепь из, последовательно соединенных, управляемых n-разрядного аттенюатора и n-разрядного фазовращателя, являющихся общими для приемного и передающего каналов. В положении переключателей «передача» выход 1-го переключателя соединен со входом аттенюатора, выход которого соединен со входом фазовращателя, а выход фазовращателя соединен со входом второго переключателя, выход которого соединен с входом предварительного усилителя, выход которого соединен со входом усилителя мощности, а выход усилителя мощности - с излучающей антенной, обеспечивают высокую линейность характеристик приемопередающего модуля и могут включатся, как в приемный, так и в передающий канал комбинацией включения переключателей. В положении переключателей «прием», вход 2-го переключателя соединен с выходам фазовращателя, вход которого соединен с выходом аттенюатора, вход которого соединен с выходом 1-го переключателя, вход которого соединен с входом малошумящего усилителя, вход которого соединен с выходом защитного устройства, а выход защитного устройства - с антенной.
Недостатками данного технического решения являются отсутствие возможности формирования одновременно двух диаграмм направленности антенны и недостаточно высокое его быстродействие, что связано с дополнительным временем на формирование фазочастотных и амплитудно-частотных характеристик в режиме работы приема и передачи.
Известен приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона [Патент РФ №2454763 на изобретение, МПК H01Q 21/00, приоритет 13.10.2010 г. Опубликовано: 27.06.2012 г. Бюл. №18], содержащий, по меньшей мере, один переключатель «прием/передача» на 2 положения, контакт «вход-выход» которого является входом-выходом модуля. Контакт «выход» в положении переключателя «передача» подключен ко входу передающего канала, включающего последовательно соединенные, по меньшей мере, один управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель, предварительный усилитель мощности, выходной усилитель мощности, выход передающего канала, который является выходом модуля, и, по меньшей мере. Контакт «вход» в положении переключателя «прием», который подключен к выходу приемного канала, содержащего последовательно соединенные, по меньшей мере, один управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель, по меньшей мере, один управляемый n-разрядный ступенчатый аттенюатор, по меньшей мере, один малошумящий усилитель, защитное устройство и вход приемного канала, который является входом модуля. Переключатель имеет второй контакт «вход», к которому подключен коммутатор. Передающий канал содержит дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель и два согласующих усилителя, при этом вход одного из усилителей соединен с контактом «выход» переключателя, а выход усилителя со входом дополнительного n-разрядного ступенчатого фазовращателя, вход второго усилителя соединен с выходом дополнительного n-разрядного ступенчатого фазовращателя, а выход усилителя со входом n-разрядного ступенчатого фазовращателя, причем оба фазовращателя подключены к одной схеме управления. Приемный канал содержит дополнительный n-разрядный ступенчатый аттенюатор, выход которого соединен со входом n-разрядного ступенчатого аттенюатора, причем аттенюаторы подключены к одной схеме управления, дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель, выход которого соединен со входом первого n-разрядного ступенчатого фазовращателя, причем фазовращатели подключены к одной схеме управления, два согласующих усилителя, вход одного из которых соединен с выходом n-разрядного ступенчатого аттенюатора, а выход усилителя со входом дополнительного n-разрядного ступенчатого фазовращателя, вход второго усилителя соединен с выходом n-разрядного ступенчатого фазовращателя, а выход второго усилителя с контактом «вход» переключателя, и делитель мощности СВЧ-сигнала, вход которого соединен с выходом малошумящего усилителя, первый выход делителя соединен со входом дополнительного n-разрядного ступенчатого аттенюатора, а ко второму выходу делителя подключен второй приемный канал, содержащий последовательно соединенные дополнительный n-разрядный и n-разрядный ступенчатый фазовращатели, имеющие одну схему управления, дополнительный n-разрядный и n-разрядный ступенчатый аттенюаторы, имеющие одну схему управления, и два согласующих усилителя, вход одного из которых соединен с выходом n-разрядного ступенчатого фазовращателя, а выход усилителя со входом дополнительного n-разрядного ступенчатого аттенюатора, вход второго усилителя соединен с выходом n-разрядного ступенчатого аттенюатора, а выход второго усилителя соединен с выходом второго приемного канала, который является выходом модуля, при этом в каждом канале каждая схема управления фазовращателями и аттенюаторами содержит преобразователь последовательного кода управления в параллельный код и преобразователь уровней сигналов управления.
Во втором приемном канале вход дополнительного n-разрядного ступенчатого аттенюатора может быть соединен со вторым выходом делителя, а выход n-разрядного ступенчатого аттенюатора со входом первого согласующего усилителя, выход которого соединен со входом дополнительного n-разрядного ступенчатого фазовращателя, выход n-разрядного ступенчатого фазовращателя может быть соединен со входом второго согласующего усилителя.
Недостатками данного технического решения является недостаточная точность определения координат объекта, не высокие электрические характеристики и надежность, что обусловлено сложностью схемы приемопередающего модуля.
Техническим результатом изобретения является: повышение точности определения координат объекта за счет повышения устойчивости работы каналов, улучшение электрических характеристик и повышение надежности путем упрощения схемы приемопередающего модуля.
Технический результат достигается тем, что приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона содержит, по меньшей мере, один переключатель «прием/передача» на 2 положения, контакт «вход-выход» которого является входом-выходом модуля. Контакт «выход» в положении переключателя «передача» подключен ко входу передающего канала, включающего последовательно соединенные, по меньшей мере, один управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель и дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель, причем оба фазовращателя подключены к одной схеме управления, согласующие усилители, предварительный усилитель мощности, выходной усилитель мощности. Выход передающего канала, который является выходом модуля, и, по меньшей мере, один контакт «вход» в положении переключателя «прием», который подключен к выходу приемного канала, содержащего последовательно соединенные, по меньшей мере, один управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель, дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель, по меньшей мере, один управляемый n-разрядный ступенчатый аттенюатор, дополнительный n-разрядный ступенчатый аттенюатор, по меньшей мере, один малошумящий усилитель, защитное устройство и вход приемного канала, который является входом модуля, причем аттенюаторы подключены к одной схеме управления и фазовращатели подключены к одной схеме управления, согласующие усилители, при этом в каждом канале каждая схема управления фазовращателями или аттенюаторами содержит преобразователь уровней сигналов управления. Передающий канал включает второй переключатель, вход которого подключен к выходу первого,, а выход подключен ко входу управляемого n-разрядного ступенчатого фазовращателя, выход которого соединен со входом первого согласующего усилителя, выход усилителя соединен со входом дополнительного n-разрядного ступенчатого фазовращателя, выход которого соединен со входом управляемого n-разрядного ступенчатого аттенюатора, выход которого соединен со входом дополнительного n-разрядного ступенчатого аттенюатора, выход которого подключен ко входу второго согласующего усилителя, выход которого подключен к третьему переключателю. Первый выход третьего переключателя соединен со входом первого переключателя, а второй выход через третий согласующий усилитель подключен к предварительному усилителю мощности, выход которого соединен со входом выходного усилителя мощности, к усилителям мощности подключен модулятор передающего канала, при этом канал дополнительно содержит систему контроля мощности, вход которой подключен к выходу выходного усилителя мощности, а выход подключен к выходу Х-циркулятора, вход которого является выходом модуля. Вход приемного канала подключен ко входу X-циркулятора, а второй выход подключен ко входу защитного устройства, выход защитного устройства подключен ко входу аттенюатора, выход которого подключен ко входу малошумящего усилителя, выход которого через четвертый и пятый согласующие усилители подключен ко входу второго переключателя, к третьему, четвертому и пятому согласующим усилителям подключен модулятор приемного канала. Преобразователь последовательного кода управления в параллельный код выполнен общим и подключен к схемам управления аттенюаторов и фазовращателей через шины внутренних сигналов управления, а ко входу подключена внешняя шина, через которую подают сигналы управления и напряжение питания.
Включение аттенюатора между защитным устройством и малошумящим усилителем позволяет расширить динамический диапазон приемного канала, дает возможность калибровки приемника по собственным шумам за счет уменьшения влияния внешних помех, и, тем самым, улучшить электрические характеристики модуля, повысить потенциал решетки и, тем самым повысить точность определения координат цели.
Подача сигналов управления на схемы управления фазовращателями и аттенюаторами от преобразователя кода через шины внутренних сигналов управления и шины внешних сигналов и напряжений питания позволяет уменьшить количество внешних связей модуля и увеличить скорость переключения амплитудных и фазовых состояний «приема» и «передачи» каналов и, тем самым, увеличить быстродействие модуля, то есть улучшить электрические характеристики модуля.
Подключение к отдельным выводам первого переключателя «прием /передача» на два положения последовательно второго и третьего переключателей «прием /передача» на два положения так, что все три переключателя имеют дополнительные входы, соединенные с внешним вводом модуля «управления переключателями» позволяет разделить сигналы приемного и передающего каналов, а так же использовать одни и те же функциональные узлы (аттенюаторы, фазовращатели, усилители) в режиме «приема» и «передачи», уменьшить количество функциональных узлов и уменьшить габаритные размеры модуля. Что позволяет повысить надежность модуля, стабилизировать работу каналов и, как следствие, повысить точность определения координат цели.
Включение в приемном канале двух последовательно соединенных согласующих усилителя позволяет повысить устойчивость приемного канала, за счет исключения влияния изменений параметров переключателя на параметры малошумящего усилителя, и тем самым, улучшить электрические характеристики модуля.
Включение в состав передающего канала системы контроля мощности позволяет проводить оперативный встроенный контроль импульсной мощности передающего канала и контролировать работу выходного усилителя мощности и, тем самым, повысить надежность модуля, стабильность диаграммы направленности решетки, и следовательно повысить точность определения координат цели.
Введение модулятора передающего канала и модулятора приемного канала позволяет синхронизировать работу всех функциональных узлов каналов по времени включения и отключения и, тем самым, повысить их устойчивость без включения дополнительных функциональных узлов, сократить задержки импульса сигнала управления и уменьшить длительность нарастания фронта и спада импульса СВЧ мощности, тем самым повысить потенциал решетки. Введение модуляторов приводит к улучшению электрических характеристик, к повышению точности определения координат объекта за счет повышения устойчивости работы каналов и, как следствие, повышения стабильности положения луча диаграммы направленности в пространстве.
Подключение вывода модуля, являющегося одновременно «выходом передающего» канала и «входом приемного» канала, к приемному или передающему каналам через Х-циркулятор, позволяет оперативно управлять работой каналов и, тем самым, повысить надежность работы модуля. А также получать стабильные диаграммы направленности решетки, обеспечивающие повышенную точность определения координат цели.
Общий преобразователь последовательного кода управления в параллельный код, подключенный через шины внутренних и внешних сигналов позволяет уменьшить паразитные параметры схемы, улучшить электрические характеристики и, тем самым, повысить точность определения координат цели.
Изобретение поясняется чертежом.
На Фиг. 1 представлена структурная схема предложенного приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона, где:
- первый переключатель «прием /передача» на два положения - 1;
- контакт «вход-выход» первого переключателя: вход передающего канала модуля в положении переключателя «передача» или выход приемного канала модуля в положении переключателя «прием» - 2;
- управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель - 3;
- дополнительный управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель - 4;
- схема управления фазовращателями - 5;
- первый согласующий усилитель - 6;
- второй согласующие усилитель - 7;
- третий согласующие усилитель - 8;
- четвертый согласующие усилитель - 9;
- пятый согласующие усилитель - 10;
- предварительный усилитель мощности - 11;
- выходной усилитель мощности - 12;
- выход передающего канала, который является выходом модуля - 13;
- n-разрядный аттенюатор - 14;
- дополнительный n-разрядный аттенюатор - 15;
- схема управления аттенюаторами - 16;
- малошумящий усилитель - 17;
- защитное устройство - 18;
- шины внутренних сигналов управления - 19;
- шины внешних сигналов управления и напряжения питания - 20;
- второй переключатель «прием /передача» на два положения - 21;
- третий переключатель «прием /передача» на два положения - 22;
модулятор передающего канала - 23
- система контроля мощности - 24;
- Х-циркулятор - 25;
- аттенюатор - 26;
- модулятор приемного канала 27;
- преобразователь кода - 28.
Пример 1.
Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона (ППМ), содержит первый переключатель 1 «прием /передача» на два положения, выполненный в виде монолитной интегральной схемы (МИС) СВЧ-диапазона «Модуль СВЧ. Переключатель М44224-2 АПНТ 434830.001ТУ». Контакт «вход-выход» переключателя 1 является выводом «входа-выхода» модуля 2.
В положении переключателя 1 «передача» через контакт «вход» 2 ППМ подключен к внешней распределительной системе сигнала передатчиков, в положении переключателя 1 «прием» через контакт «выход» 2 ППМ подключен к устройству суммирования каналов АФАР
Передающий канал, включает последовательно второй переключатель 21 в виде МИС «Модуль СВЧ. Переключатель М44224-2 АПНТ 434830.001ТУ, соединенные управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель 3 в виде МИС М44149-1 АПНТ.434630.019ТУ и дополнительный управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель 4 в виде МИС М44149-2 АПНТ.434630.019ТУ, соединенные через первый согласующий усилитель 6 в виде МИС М421304-3 АПНТ.434810.062ТУ, управляемый n-разрядный аттенюатор 14 в виде МИС М44419 АПНТ.434820.002ТУ и дополнительный n-разрядный аттенюатор 15 в виде МИС М44419 АПНТ.434820.002ТУ, которые через второй согласующий усилитель 7 в виде МИС М421304-3 АПНТ.434810.062ТУ, соединены с третьим переключателем 22, в виде МИС «Модуль СВЧ. Переключатель М44224-2 АПНТ 434830.001ТУ, выход которого в положении «передача» через третий согласующий усилитель8 в виде МИС М421304-3 АПНТ.434810.062ТУ соединен с предварительным усилителем мощности 11 в виде МИС М42284-1 АПНТ.434810.208ТУ, выходной усилитель мощности 12 в виде МИС М42283-2 АПНТ.434810.206ТУ, схема контроля мощности 24 содержит диод 2А131А и усилитель /компаратор МАХ9003, Х-циркулятор 25 типа МПВЦ9-1Х выход которого является выходом передающего канала и модуля. Предварительный усилитель мощности 11 и выходной усилитель мощности 12 соединены с модулятором передающего канала 23 в виде схемы, содержащей Si55190V и LM5110-3SD.
Приемный канал включает защитное устройство 18 в виде МИС М44419 АПНТ.434820.014ТУ вход которого соединен с выходом X циркулятора типа МПВЦ9-1Х, аттенюатор 25 в виде МИС типа КРПГ.434824.011ТУ, мало-шумящий усилитель 17 в виде МИС М421317 АПНТ.434810087ТУ четвертый 9 и пятый 10 согласующие усилители в виде МИС М421304-3 АПНТ.434810.062ТУ, второй переключатель 21, управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель 3 в виде МИС М44149-1 АПНТ.434630.019ТУ и дополнительный управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель 4 в виде МИС М44149-2 АПНТ.434630.019ТУ, n-разрядный аттенюатор 14 в виде МИС М44419 АПНТ.434820.002ТУ и дополнительный n-разрядный аттенюатор 15 МИС М44419, через второй согласующий усилитель 7 в виде МИС М421304-3 АПНТ.434810.062ТУ, третий переключатель 22 в виде МИС «Модуль СВЧ. Переключатель М44224-2 АПНТ 434830.001ТУ, контакт выход приемного канала 2. Модулятор приемного канала 27 в виде схемы, содержащей Si55190V и LM5110-3SD подключен к МШУ 17 и согласующим усилителям 9 и 10, а также выход модулятора соединен со входом согласующего усилителя 8.
Схемы управления, выполненные в виде МИС драйвер АЕНВ.431320.101Т, фазовращателями 5 и аттенюаторами 16 соединены с шинами внутренних сигналов управления 19 Шина внешних сигналов управления и напряжения питания 20 соединена со схемами управления фазовращателями 5 и аттенюаторами 16 через преобразователь кода 28 типа АЕНВ.431320.102ТУ, выходы которого соединены со схемами управления фазовращателями 8 и аттенюаторами 12 шинами внутренних сигналов управления 9.
Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона работает следующим образом.
При приеме сигнал с приемной антенны поступает на вход X-циркулятора 25, далее на вход защитного устройства 18, которое, в зависимости от уровня, либо пропускает сигнал с минимальными потерями, либо ограничивает его до безопасного для последующих функциональных узлов уровня. С выхода защитного устройства 18 сигнал проходит через аттенюатор 26 на вход малошумящего усилителя 17. Аттенюатор 26 предназначен для уменьшения влияния внешних сигналов при калибровке приемного канала по собственным шумам. Малошумящий усилитель 17 необходим для усиления входного сигнала и обеспечивает чувствительность приемного канала. С выхода малошумящего усилителя 17 сигнал через согласующие усилители 9 и 10 и второй переключетель 22 попадает на фазовращатель 3, согласующий усилитель 6 и фазовращатель 4, которые формируют фазочастотную характеристику приемного канала. Далее сигнал проходит через аттенюаторы 14 и 15, которые формируют амплитудночастотную характеристику приемного канала., и через согласующий усилитель 7 поступает на переключатель 22, затем на переключатель 1, где попадает на выход приемного канала 2.
В режиме «передача» сигнал со входа передающего канала 2 через переключатель 1 и переключатель 21 попадает на фазовращатели 3, 4, которые формируют фазочастотную характеристику передающего канала., затем через аттенюаторы 14 и 15, которые формируют амплитудно-частотную характеристику передающего канала. Далее сигнал через согласующий усилитель 7, переключатель 22 и согласующий усилитель 8 попадает на предварительный 11 и выходной 12 усилители мощности передающего канала (ПРД). Усиленный до необходимого уровня сигнал через систему контроля мощности 24 и Х-циркулятор 25 поступает на выход канала.
Система контроля мощности 24 формирует выходной сигнал, подаваемый на вывод 2 модуля, свидетельствующий о наличии необходимого уровня выходного сигнала передающего канала для оценки правильной работы передающего канала.
Модуляторы передающего и приемного каналов осуществляют временное разделение работы приемного и передающего каналов. При включении режима «передача» модулятор передающего канала включает питание предварительного и выходного усилителей и, тем самым, включает их для усиления проходящего сигнала передающего канала, а при отключении режима «передача» модулятор передающего канала защищает предварительный и выходной усилители от выгорания. При включении режима «прием» модулятор приемного канала включает функциональные узлы модуля, работающие только при работе приемного канала, путем подачи на них питающего напряжения.
Преобразователь кода преобразует последовательный код управления аттенюаторами и фазовращателями в параллельные коды управления, одновременно разделяя их по времени управления этими узлами в момент работы приемного и передающего каналов.
Предлагаемый приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона, позволяет, за счет повышения устойчивости работы каналов, повысить стабильность положения луча диаграммы направленности в пространстве и, как следствие, повысить точность определения координат объекта.