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 [1]. На входе приемного канала установлено защитное (ограничительное) устройство и двухкаскадный малошумящий усилитель. В передающем канале установлен трехкаскадный усилитель мощности. В модуле имеется два переключателя, первый расположен в приемном канале, между запоминающим устройством и малошумящим усилителем, а второй - в передающем канале, перед усилителем мощности. Передатчик запускается триггером через блок схем управления и второй переключатель. После излучения ВЧ-импульса модуль возвращается в режим приема переключением командой от блока схем управления. Для предупреждения перегрева транзисторы передатчика работают в ключевом режиме класса А, когда питание на транзисторы подается только во время действия ВЧ-импульса, что обеспечивается командой с блока схем управления, при этом длительность действия питающего напряжения превышает длительность ВЧ-импульса.
Недостатками данного технического решения является необходимость постоянного изменения кодов управления фазовращателями и аттенюаторами синхронно с переключением режима прием/передача. При этом схемы управления должны иметь маленькие времена переключения (несколько десятков наносекунд). Это приводит к появлению паразитных составляющих в спектре передающего и приемного каналов и необходимости введения временных перекрывающих окон при приеме и передаче, что приводит к потере потенциала системы.
Известен приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки, содержащий приемный и передающий каналы [2,3]. 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 ними 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 выходом 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 режимах работы приема и передачи.
Техническим результатом изобретения являются увеличение угла обзора, повышение точности определения координат цели и повышение потенциала системы (дальности обнаружения цели) приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки путем обеспечения возможности формирования одновременно двух диаграмм направленности антенны и увеличение быстродействия путем уменьшения времени параллельной обработки принимаемых сигналов.
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, 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, 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 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. Ко второму выходу делителя подключен второй приемный канал, содержащий последовательно соединенные дополнительный n-разрядный и n-разрядный ступенчатые фазовращатели, имеющие одну схему управления, дополнительный n-разрядный и n-разрядный ступенчатые 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 или аттенюаторами содержит преобразователь последовательного кода управления в параллельный код и преобразователь уровней сигналов управления.
Для удобства компоновки приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона во втором приемном канале последовательность подключения фазовращателей и аттенюаторов к делителю может быть изменена. Вход дополнительного n-разрядного ступенчатого аттенюатора 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 соединен со входом второго согласующего усилителя.
Включение параллельно с приемным каналом через делитель мощности СВЧ сигнала второго приемного канала обеспечивает разделение принимаемого сигнала, что дает возможность одновременного формирования двух приемных диаграмм направленности, это позволяет одновременно в режиме приема увеличить угол обзора и повысить точность определения координат цели, тем самым повысить потенциал системы (дальность обнаружения цели) приемопередающего модуля.
Включение в передающий и оба приемных канала дополнительного n-разрядного ступенчатого фазовращателя и дополнительного n-разрядного ступенчатого аттенюатора со схемами управления, содержащими преобразователь последовательного кода управления в параллельный код и преобразователь уровней сигналов управления, позволяет увеличить быстродействие приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки. Увеличение быстродействия приемопередающего модуля происходит за счет формирования в схемах управления предварительной информации кодов управления в режиме медленного обмена последовательным кодом и быстрого подключения (10-20 нсек) регистров управления к СВЧ аттенюаторам и фазовращателям. В результате уменьшается время параллельной обработки принимаемых сигналов.
Включение в схему управления аттенюаторами и фазовращателями преобразователя последовательного кода управления в параллельный код и преобразователя уровней сигналов позволяет в режиме медленного последовательного формирования кодов состояний аттенюаторов и фазовращателей заполнять регистры памяти параллельным кодом управления и по команде управляющего компьютера достаточно быстро (за время 10-20 нсек) подключать регистры к схемам преобразования уровней и далее к СВЧ фазовращателям и аттенюаторам. Появляется возможность изменять диаграмму направленности даже от импульса к импульсу переключения приема/передачи.
Согласующие усилители в передающем и в приемных каналах позволяют согласовать входы и выходы СВЧ аттенюаторов и фазовращателей и их соединение во всех комбинациях дискретов фаз и амплитуд и, тем самым, повысить точность установки фазового и амплитудного распределения, что увеличивает быстродействие приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки.
Коммутатор позволяет улучшить согласование входных сигналов управления, поступающих на контакт «вход-выход», с параметрами переключателя СВЧ-сигнала «прием/передача».
Изобретение поясняется чертежом. На Фиг.1 представлена структурная схема предложенного приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона, где:
- переключатель на 2 положения «прием/передача» - 1;
- контакт «вход-выход» переключателя: вход передающего канала модуля в положении переключателя «передача» или выход приемного канала модуля в положении переключателя «прием» - 2;
- контакт «выход» переключателя в положении переключателя «передача» - 3;
- n-разрядный ступенчатый фазовращатель - 4;
- предварительный усилитель мощности - 5;
- выходной усилитель мощности - 6;
- выход передающего канала, который является выходом модуля - 7;
- контакт «вход» переключателя канала в положении переключателя «прием» - 8;
- n-разрядный ступенчатый аттенюатор - 9;
- малошумящий усилитель - 10;
- защитное устройство - 11;
- вход приемного канала, который является входом модуля - 12;
- второй «вход» переключателя - 13;
- коммутатор - 14;
- дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель - 15;
- согласующий усилитель - 16;
- схема управления фазовращателями - 17;
- дополнительный n-разрядный ступенчатый аттенюатор - 18;
- схема управления аттенюаторами - 19;
- делитель мощности СВЧ сигнала - 20;
- выход второго приемного канала - 21.
Пример 1.
Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона содержит переключатель 1 на два положения «прием/передача», выполненный в виде монолитной интегральной схемы (МИС) СВЧ-диапазона «Модуль СВЧ. Переключатель. М44218. АПНТ 434830.010ТУ». Контакт «вход-выход» переключателя 1 является входом-выходом модуля (ППМ) 2. В положении переключателя 1 «передача» через контакт «вход» 2 ППМ подключен к внешней распределительной системе, в положении переключателя 1 «прием» через контакт «выход» 2 ППМ подключен к устройству суммирования АФАР.
Когда переключатель 1 установлен в положение «передача», его контакт «выход» 3 подключен ко входу передающего канала.
Когда переключатель 1 установлен в положение «прием», его контакт «вход» 8 подключен к выходу приемного канала. Второй контакт «вход» 13 подключен к коммутатору 14. Коммутатор 14 формирует сигналы управления для СВЧ переключателя 1, которые открывают или закрывают ключевые транзисторы, подключая вход передающего канала или выход приемного канала.
Передающий канал содержит последовательно соединенные: согласующий усилитель 16 в виде МИС на полевых транзисторах с барьером Шотки (ПТШ) с коэффициентом усиления +8 дБ, дополнительный 5-разрядный ступенчатый фазовращатель 15 в виде МИС «Модуль СВЧ. Фазовращатель. М44149. АПНТ 434830.019ТУ», согласующий усилитель 16, 5-разрядный ступенчатый фазовращатель 4, выполненный в виде МИС «Модуль СВЧ. Фазовращатель. М44146-2. АПНТ. 434830.009ТУ», предварительный усилитель мощности 5, выполненный в виде МИС, 2- каскадный на двух полевых транзисторах, выходной усилитель мощности 6, выполненный в виде гибридно-интегральной схемы с использованием арсенидгалиевых полевых транзисторов с барьером Шотки, и выход передающего канала 7, который является выходом модуля. 5-разрядный ступенчатый фазовращатель 4 и дополнительный 5-разрядный ступенчатый фазовращатель 15 подключены к одной схеме управления 17, выполненной в виде МИС «ГПКФ.431432.00ТУ» на кремниевом кристалле размером 2,4×1,9 мм.
Приемный канал ППМ содержит последовательно соединенные: согласующий усилитель 16, 5-разрядный ступенчатый фазовращатель 4, дополнительный 5-разрядный ступенчатый фазовращатель 15, согласующий усилитель 16, 5-разрядный ступенчатый аттенюатор 9, выполненный в виде МИС «Модуль СВЧ. Аттенюатор. М44712. АПНТ 434820.002ТУ», дополнительный 5-разрядный ступенчатый аттенюатор 18, выполненный в виде МИС «Модуль СВЧ. Аттенюатор. М44712. АПНТ 434820.002ТУ», первый выход делителя мощности СВЧ-сигнала 20, выполненного в виде тонкопленочной схемы кольцевого делителя мощности на поликоровой подложке, вход делителя 20, малошумящий усилитель (МШУ) 10, выполненный в виде последовательно соединенных 2-х кристаллов МИС МШУ на основе арсенидгалиевых эпитаксиальных гетероструктур с коэффициентом усиления +15дБ каждый, защитное устройство 11, выполненное в виде МИС «Модуль СВЧ. Защитное устройство. М44417. АПНТ 434820.003ТУ», и вход приемного канала 12. 5-разрядный ступенчатый фазовращатель 4 и дополнительный 5-разрядный ступенчатый фазовращатель 15 подключены к одной схеме управления 17 этого канала. 5-разрядный основной 9 и дополнительный 5-разрядный 18 ступенчатые аттенюаторы подключены к одной схеме управления 19 этого канала, выполненной в виде МИС «ГПКФ.431432.00ТУ» на кремниевом кристалле размером 2,4×1,9 мм.
Ко второму выходу делителя 20 подключен вход второго приемного канала. Второй приемный канал содержит последовательно соединенные: 5-разрядный ступенчатый фазовращатель 15 и 5-разрядный ступенчатый фазовращатель 4, которые имеют одну схему управления 17, согласующий усилитель 16, дополнительный 5-разрядный ступенчатый аттенюатор 18 и 5-разрядный основной ступенчатый аттенюатор 9, имеющие одну схему управления 19, согласующий усилитель 16 и выход второго приемного канала 21.
При этом в каждом канале каждая схема управления 17 или 19 содержит преобразователь последовательного кода управления в параллельный код и преобразователь уровня сигналов управления.
2
Предварительный усилитель 5 - усилитель мощности 2-каскадный на двух полевых транзисторах - содержит все необходимые элементы согласования, питания и развязки. На входе и выходе у него - копланарные выводы для измерения параметров МИС на пластине. Первый каскад содержит транзистор с шириной затвора 840 мкм, который охвачен параллельной отрицательной обратной связью для стабилизации коэффициента усиления. Второй каскад содержит два транзистора с шириной затвора 1680 мкм. На выходе укороченный мост Улкинсона осуществляет сложение мощности. Размер кристалла 1,8×2,1 мм, S=3,78 мм.
2
Выходной усилитель мощности 6 - усилитель мощности 2-каскадный на полевых транзисторах - содержит все необходимые элементы согласования, питания и развязки. На входе и выходе у него - копланарные выводы для измерения параметров МИС на пластине. Первый каскад содержит два транзистора с шириной затвора 1680 мкм. Второй каскад содержит восемь транзисторов с шириной затвора 1680 мкм. В межкаскадных цепях и на выходе укороченные мосты Улкинсона осуществляют сложение мощности. Размер кристалла 3,3×3,3 мм, S=10 мм.
2
Аттенюатор 9 - МИС 5-разрядный аттенюатор - выполнен на полевых транзисторах, содержит все необходимые элементы согласования, питания и развязки. Аттенюатор содержит 5 последовательно включенных Т-образных переключаемых ступеней. Каждая ступень соответствует одному переключаемому разряду. На входе и двух выходах у него - копланарные выводы для измерения параметров МИС на пластине. Переключаемые транзисторы имеют ширину затвора 300 мкм. Размер кристалла 2,5×1,5 мм, S=3,8 мм.
2
Фазовращатель 4 - МИС 5-разрядный ступенчатый фазовращатель - выполнен на полевых транзисторах, содержит все необходимые элементы согласования, питания и развязки. Фазовращатель содержит 5 последовательно включенных Т-образных переключаемых фазовых ступеней. Каждая ступень соответствует одному переключаемому разряду. Для компенсации потерь в фазовращатель встроен компенсирующий усилитель. На входе и выходе у него - копланарные выводы для измерения параметров МИС на пластине. Транзисторы имеют ширину затвора 300 мкм. Размер кристалла 4,3×2,2 мм, S=9,5 мм.
2
Защитное устройство 11 - МИС защитное устройство - выполнено на диодах с барьером Шотки, содержит все необходимые элементы согласования, питания и развязки. Защитное устройство содержит 2 последовательно включенных каскада защиты на встречно включенных диодах Шотки. На входе и выходе у него - копланарные выводы для измерения параметров МИС на пластине. Размер кристалла 1,1×0,8 мм, 8=0,9 мм.
2
Переключатель 1 - МИС переключатель 1х2 - выполнен на полевых транзисторах, содержит все необходимые элементы согласования, питания и развязки. На входе и двух выходах у него - копланарные выводы для измерения параметров МИС на пластине. На входе два транзистора с шириной затвора 300 мкм. На каждом выходе также два транзистора с шириной затвора 300 мкм, соединенные между собой фильтром нижних частот. Такое включение обеспечивает хорошую развязку между выходами устройства. Размер кристалла 1,85×1,28 мм, 8=2,4 мм.
Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона работает следующим образом. Сигналы управления для СВЧ-переключателя 1 формирует коммутатор 14, который подключает вход передающего канала 3 или выход приемного канала 8.
В режиме «передача» сигнал с выхода внешней распределительной системы подается на контакт «вход-выход» 2 переключателя 1 и через него с небольшими потерями (до 2дБ) поступает на вход передающего канала и вход согласующего усилителя 16. Согласующий усилитель 16 усиливает сигнал. Сигнал идет через дополнительный 15 и основной 4 фазовращатели, которые формируют необходимые параметры выходного сигнала передатчика. Дополнительный 15 и основной 4 фазовращатели управляются схемой управления 17, которая формирует сигналы управления для включения ступеней фазовращателей 15 и 4. Второй согласующий усилитель 16 компенсирует потери сигнала в фазовращателях. Предварительный усилитель мощности 5 усиливает сигнал до мощности 500 мВт, необходимой для раскачки выходного сигнала усилителя мощности. Выходной усилитель мощности 6 является основным узлом, формирующим мощный выходной сигнал передающего канала, имеет коэффициент усиления 10-13 дБ.
В режиме «прием» на вход приемного канала 12 поступает принимаемый антенной внешний сигнал. Сигнал поступает на защитное устройство 11, и в зависимости от его мощности защитное устройство имеет разный коэффициент передачи. При входном сигнале до 2 Вт на выходе сигнал не превышает 40-50 мВт. Ослабленный сигнал поступает на малошумящий усилитель 10 и, усиленный на 30 дБ, поступает на вход делителя 20. Сигнал делится на два идентичных сигнала. Один сигнал продолжает движение по первому приемному каналу, а второй идет по второму приемному каналу. Приемные каналы идентичны и отличаются только выходными цепями. Сигнал в первом канале идет через дополнительный 18 и основной 9 аттенюаторы, которые формируют необходимое амплитудное распределение выходного сигнала, и через дополнительный 15 и основной 4 фазовращатели, которые формируют необходимые параметры выходного сигнала. Сигнал во втором канале идет через дополнительный 15 и основной 4 фазовращатели, которые формируют необходимые параметры выходного сигнала, и через дополнительный 18 и основной 9 аттенюаторы, которые формируют необходимое амплитудное распределение выходного сигнала. Согласующий усилитель 16 компенсирует потери сигнала в фазовращателях и аттенюаторах. Схема управления 17 формирует сигналы управления для включения ступеней фазовращателей 15 и 4. Схема управления 19 формирует сигналы управления для включения ступеней дополнительного 18 и основного 9 аттенюаторов. Выход первого приемного канала 8 через переключатель 1 соединяется с устройством суммирования АФАР. Выход второго канала 21 всегда соединен со вторым устройством суммирования АФАР.
Схемы управления 17 и 19 формируют сигналы управления для включения ступеней фазовращателей или аттенюаторов. На вход схемы 17 или 19 поступает последовательный код данных, в котором содержится информация о включаемых ступенях, и одновременно сигнал принадлежности информации к определенному каналу. Схема 17 или 19 формирует параллельный код управления, который через преобразователь уровня поступает на соответствующую ступень, и записывает его в определенный регистр памяти. Далее по внешней команде через преобразователь уровня параллельный код поступает на соответствующие ступени фазовращателей или аттенюаторов. Коммутатор 14 получает стандартный цифровой сигнал ТТЛ или КМОП уровня, который, проходя через схемы формирования, преобразуется в два противофазных сигнала с отрицательным напряжением. Эти сигналы поступают на второй вход 13 переключателя 1 и открывают или закрывают ключевые транзисторы, подключая вход передающего канала или выход второго приемного канала.
Предлагаемый приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона позволил увеличить угол обзора на 10%, повысить точность определения координат цели на 30% и повысить потенциал системы на 20%. Причем эти увеличения происходят одновременно.
Источники информации
1.1. MICON, 2002. (Новости СВЧ-техники, изд. ФГУП «НПП «Исток», 2004, №3, стр.11-12).
2. 11-th GaAs Symposium, Мюнхен, 2003 г. F.E. van Vliet et al. Fully-integrated wideband TTD core chip with serial control. (Новости СВЧ-техники, изд. ФГУП «НПП «Исток», 2004, №3, стр.8-10).
3. III-Vs Review. The Advanced Semiconductor Magazine, 26 May 2006. (Новости СВЧ-техники, изд. ФГУП «НПП «Исток», 2006, №6, стр.11-12).