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

Изобретение относится к радиоэлектронным устройствам, а именно к конструкции приемопередающих модулей активных фазированных антенных решеток СВЧ-диапазона.
При лабораторных измерениях и тестировании АФАР, а также при тестировании в боевом режиме не редко возникают ситуации, при которых на входе приемного канала приемопередающего модуля (далее - ППM) возникает высокий уровень мощности. Связано это с тем, что при не правильном распределении мощности систем которые располагаются рядом с АФАР, работающей в режиме приема, выходная мощность передатчика попадает на вход приемника [3, 4]. Такая проблема может также возникнуть при облучении АФАР, работающей в режиме приема сигнала. При этом приемные каналы ППМ находятся в режиме ограничения. В режиме ограничения все усилители приемных каналов находятся в режиме глубокого насыщения, поэтому считывание информации об объекте в пространстве является невозможным. К тому же, усилители приемных каналов, работающие в режиме глубокого насыщения, при длительном воздействии могут выйти из строя, что приведет приемные каналы ПММ АФАР в негодность. Для предотвращения выхода из строя приемных каналов ППМ АФАР требуется минимизировать входную мощность и обеспечить получение информации об облучении ППМ АФАР в режиме приема сигнала.
Известен приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона [Патент РФ №2713079 H01Q 21/00,], 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 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 Х-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.
Недостатком данного технического решения является ввод активных элементов приемных каналов в режим насыщения при возникновении высокого уровня мощности на входе приемных каналов, что снижает надежность работы приемопередающего модуля, а значит всей АФАР в целом. Также нет возможности обнаруживать сигнал внешнего облучения АФАР Невозможно обрабатывать информацию о сканируемом окружающем пространстве.
Известен приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона, принятый за прототип [Патент РФ №2454763 H01Q 21/00], содержащий, по меньшей мере, один переключатель «прием/передача» на 2 положения. Передающий канал включает последовательно соединенные, по меньшей мере, один управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель, предварительный усилитель мощности, выходной усилитель мощности, выход передающего канала, который является выходом модуля. Один контакт «вход» в положении переключателя «прием», который подключен к выходу приемного канала, содержит дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель и два согласующих усилителя. Оба фазовращателя подключены к одной схеме управления.
Приемный канал содержит, 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, вход одного из которых соединен с выходом дополнительного n-разрядного аттенюатора, и делитель мощности СВЧ сигнала. 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 соединен со входом второго согласующего усилителя.
Недостатком данного технического решения является ввод активных элементов приемных каналов в режим насыщения при возникновении высокого уровня мощности на входе приемных каналов, что снижает надежность работы приемопередающего модуля, а значит всей АФАР в целом. Также нет возможности обнаруживать сигнал внешнего облучения АФАР Невозможно обрабатывать информацию о сканируемом окружающем пространстве.
Техническим результатом данного изобретения является: повышение надежности работы приемных каналов приемопередающего модуля, а значит самого модуля и всей АФАР в целом и, за счет этого, увеличение угла обзора, повышение точности определения координат цели и повышение потенциала системы (дальности обнаружения цели), а также возможность обнаружения сигнала внешнего облучения за счет контроля мощности входного сигнала.
Технический результат достигается тем, что приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона содержит, по меньшей мере, один переключатель прием/передача» на 2 положения, к одному контакту «вход» подключен коммутатор, контакт «вход-выход» переключателя является входом-выходом модуля, контакт «выход» в положении переключателя «передача» подключен ко входу передающего канала, а выход передающего канала является выходом модуля. Контакт «вход» в положении переключателя «прием» подключен к выходу приемного канала, содержащего последовательно соединенные согласующий усилитель, управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель и дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель, имеющие одну схему управления, согласующий усилитель, управляемый n-разрядный ступенчатый аттенюатор, и дополнительный n-разрядный ступенчатый аттенюатор, имеющие одну схему управления, делитель мощности СВЧ-сигнала, первый выход которого соединен со входом дополнительного n-разрядного ступенчатого аттенюатора, а вход соединен с выходом малошумящего усилителя, малошумящий усилитель, защитное устройство и вход приемных каналов, который является входом модуля, ко второму выходу делителя подключен вход второго приемного канала, содержащего последовательно соединенные дополнительный n-разрядный и n-разрядный ступенчатые фазовращатели, имеющие одну схему управления, согласующий усилитель, дополнительный n-разрядный и n-разрядный ступенчатые аттенюаторы, имеющие одну схему управления, согласующий усилитель, выход которого соединен с выходом второго приемного канала, являющегося выходом модуля. Ко входу приемных каналов подключен вход вентиля, выход которого подключен ко входу направленного ответвителя, а к его выходу подключен вход защитного устройства, в ответвляющую часть подключены параллельно согласованная нагрузка и детекторный диод, выход которого подключен ко входу усилителя постоянного тока, а выход усилителя подключен ко входу компаратора, выход компаратора соединен со входом логического элемента 2И-НЕ, выход элемента соединен со входом модулятора, при этом соединение имеет вывод контрольного сигнала, выход модулятора соединен с цепью питания всех согласующих усилителей приемных каналов и малошумящего усилителя.
Вентиль поглощает отраженную мощность сигнала от защитного устройства полностью, и, тем самым, предохраняет вход модуля от обратного излучения в АФАР.
Наличие направленного ответвителя мощности между вентилем и защитным устройством позволяет отвести часть сигнала из основной линии в ответвляющую и, тем самым, снизить мощность сигнала, поступающего в приемный канал, что предохраняет от повреждения (выгорания) согласующие усилители и малошумящий усилитель приемных каналов, а значит повысить надежность работы ППМ Кроме того обеспечивается получение данных о присутствии высокого уровня мощности на входе приемных каналов.
Согласованная нагрузка поглощает отраженную от защитного устройства мощность и тем самым увеличивает надежность ППМ.
Включенный параллельно согласованной нагрузке детекторный диод, позволяет преобразовать поступающую на его вход мощность в выходное напряжение в соответствии с вольт-ватной характеристикой и сформировать полезный сигнал о высоком уровне поступающей мощности, во входную цепь приемных каналов ППМ от внешних источников облучения, что расширяет функциональные возможности ППМ.
Наличие компаратора и логического элемента 2И-НЕ, соединенного с модулятором позволяет при превышении порогового напряжения детекторного диода подавать сигнал, отключающий питание активных элементов (согласующих усилителей и малошумящего усилителя приемных каналов) на модулятор и, тем самым, создаются условия, при которых в приемных каналах возникает большое количество СВЧ-потерь мощности и, таким образом, активные элементы (приемных каналов) не находятся в режиме насыщения, что предохраняет их от выхода из строя (выгорания) и, как следствие повышается надежность ППМ.
Наличие вывода контрольного сигнала, позволяет получать информацию о присутствии сигналов высокого уровня мощности на входе приемных каналов, вызванных внешним облучением ППМ АФАР (например, при захвате цели РЛС противника, наличия излучения от средств радиоэлектронной борьбы или радиоэлектронного противодействия).
Изобретение поясняется чертежом.
На Фиг. 1 представлена структурная схема приемопередающего модуля - переключатель «прием/передача» на 2 положения 1;
- коммутатор 2;
- контакт «вход-выход» переключателя: вход передающего канала модуля в положении переключателя «передача» или выход приемного канала модуля в положении переключателя «прием» - 3;
- выход передающего канала 4;
- контакт «вход» в положении переключателя «прием» 5;
- согласующий усилитель 6;
- управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель 7;
- дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель 8:
- схема управления фазовращателями 9;
- управляемый n-разрядный ступенчатый аттенюатор 10;
- дополнительный n-разрядный ступенчатый аттенюатор 11;
- схема управления аттенюаторами 12;
- делитель мощности СВЧ-сигнала 13;
- малошумящий усилитель 14;
- защитное устройство 15;
- вход приемных каналов 16;
- выход второго приемного канала 17;
- вентиль 18;
- направленный ответвитель 19;
- согласованная нагрузка 20;
- детекторный диод 21;
- усилитель постоянного тока 22;
- компаратор 23;
- логический элемент 24;
- модулятор 25;
- вывод контрольного сигнала 26.
Пример. Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ - диапазона содержит переключатель 1 на два положения. Переключатель 1 типа М44218(АПНТ434830.010ТУ) в виде кристалла 1×2×0,1 мм МИС-переключателя выполнен на полевых транзисторах и содержит все необходимые элементы согласования, питания и развязки. Контакт 3 «вход-выход» переключателя 1 является входом-выходом модуля. Контакт 3 «выход» в положении переключателя «передача» подключен ко входу передающего канала, а в положении переключателя «прием» подключен к выходу первого приемного канала. Первый приемный канал содержит последовательно соединенные согласующий усилитель 6 типа М421304-1,2 (АПНТ. 434810.062ТУ) с размером кристалла 0,92×1,26×0,1 мм, управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель 7 типа М44146-2 (АПНТ434830009ТУ), дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель 8 в виде МИС с размером кристалла 4,3×2,2×0,1 мм, типа Μ 44149 (АПНТ. 434830.019ТУ), согласующий усилитель 6, управляемый n-разрядный ступенчатый аттенюатор 10, в виде МИС с размером кристалла МИС 2,5×1,5×0,1 мм, например, 5-разрядный ступенчатый аттенюатор типа М44712 (АПНТ 434820.002ТУ), дополнительный n-разрядный ступенчатый аттенюатор 11 в виде МИС с размером кристалла 2,4×1,4×0,1 мм типа М44712 (АПНТ 434820.002ТУ), делитель мощности СВЧ-сигнала 13 выполнен в виде пленочной схемы на поликоровой плате размером 8,5×4×0,5 мм., малошумящий усилитель 14, в виде МИС с размером кристалла 2,12×1,12×0,1 мм типа М421283-1 (АПНТ 434810.022ТУ), защитное устройство 15 в виде МИС с размером кристалла 0,82×1,12×0,1 мм типа М44417 (АПНТ 434820.014ТУ), направленный ответвитель 19 выполнен пленочным в составе платы КРПГ.758778.039, вентиль 18 типа МПВВ-9-4 (КРПГ.468545.102ТУ). Фазовращатели 7 и 8 подключены к одной схеме управления 9 в виде МИС с размером кристалла 0,82×1.12×0,1 мм, типа драйвер (ГПКФ. 431438.005ТУ). Аттенюаторы 10 и 11 подключены к одной схеме управления 12 типа драйвер (ГПКФ.431438.005ТУ) с размером кристалла 2,12×1,8×0.1 мм. В ответвляющую часть направленного ответвителя 19 подключены параллельно согласованная нагрузка 20 в виде резистора в составе кристалла микросхемы КРПГ.757646.010-02 и детекторный диод 21 типа КРПГ.757631.010. Выход детекторного диода 21 подключен к входу усилителя постоянного тока 22, выполненного в виде микросхемы LM2904VD. Выход усилителя 22 подключен к компаратору 23, который выполнен в виде микросхемы MAX9003EUA. Выход компаратора 23 соединен со входом логического элемента 2И-НЕ 24, выполненным в виде микросхемы 5514БЦ1Т5-00. Выход логического элемента 2И-НЕ 24 соединен со входом модулятора 25, выполненным в виде микросхемы LM5110-3SD. Соединение логического элемента 24 и модулятора25 имеет вывод контрольного сигнала 26. Выход модулятора 25 соединен с цепью питания всех согласующих усилителей 6 приемных каналов и малошумящего усилителя 14.
Фазовращатель 7 выполнен в виде МИС на ПТШ и содержит все необходимые элементы согласования, питания и развязки, а также пять последовательно включенных Т-образных переключаемых фазовых звеньев. Каждое звено соответствует одному переключаемому биту.
Аттенюатор 10 выполнен в виде МИС на ПТШ и содержит все необходимые элементы согласования, питания и развязки, а также пять последовательно включенных Т-образных переключаемых звеньев. Каждое звено соответствует одному переключаемому биту.
К переключателю 1 подключен коммутатор 2, в виде полупроводниковой интегральной схемы с размером кристалла 0,4×1,8×0,1 мм (ГПКФ.431432.004ТУ).
Устройство работает следующим образом. В режиме «прием» на вход приемных каналов 16 поступает принимаемый антенной внешний сигнал, отраженный от объекта в пространстве. Сигнал поступает на защитное устройство 15. В зависимости от мощности сигнала защитное устройство 15 имеет разный коэффициент передачи. При входном сигнале до 2 Вт на выходе сигнал не превышает 14-15 мВт. Ослабленный сигнал поступает на малошумящий усилитель 14, а затем, усиленный на 30дБ, поступает на вход делителя СВЧ-сигнала 13. Здесь сигнал делится на два идентичных сигнала. Один продолжает движение по первому приемному каналу, а второй по второму приемному каналу. Приемные каналы идентичны и отличаются только выходными цепями. Сигнал в первом канале идет через дополнительный 8 и основной 7 фазовращатели, которые формируют необходимые параметры выходного сигнала. Сигнал во втором канале идет через дополнительный 8 и основной 7 фазовращатели и через дополнительный Пи основной 10 аттенюаторы, которые формируют необходимое амплитудное распределение выходного сигнала. Согласующий усилитель 6 компенсирует потери сигнала в фазовращателях и аттенюаторах. Схема управления 9 формирует сигналы управления для включения ступеней фазовращателей 7 и 8. Схема управления 12 формирует сигналы управления для включения ступеней дополнительного 11 и основного 10 аттенюаторов. Схемы управления 9 и 12 формируют сигналы управления для включения ступеней фазовращателей или аттенюаторов. На вход схемы 9 или 12 поступает последовательный код данных, в котором содержится информация о включаемых ступенях, и одновременно сигнал принадлежности информации к определенному каналу. Схемы 9 и 12 формируют параллельный код управления, который через преобразователь уровня поступает на соответствующую ступень, записывает его в определенный регистр памяти. Далее по внешней команде через преобразователь уровня параллельный код поступает на соответствующие ступени фазовращателей или аттенюаторов. Коммутатор 2 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 СВЧ-переключатель 1 и открывают или закрывают ключевые транзисторы, подключая к входу 3 вход передающего канала или выход второго приемного канала 17. При работе АФАР возникают ситуации, при которых на входе приемных каналов ППМ 16 возникает высокий уровень мощности. Для предотвращения выхода из строя приемных каналов ППМ АФАР требуется отключить питание активных элементов и обеспечить получение информации об облучении ППМ АФАР в режиме приема сигнала. При попадании на вход приемного канала 16 высокого уровня мощности, большая часть мощности должна быть отражена и поглощена. Вентиль 18 позволяет согласовать приемный канал и при возникновении обратного сигнала полностью поглощается его согласованной нагрузкой. Далее сигнал поступает в направленный ответвитель 19, где часть мощности ответвляется в согласованную нагрузку 20 и на детекторный диод 21, который открывается, преобразуя поступающую на его вход мощность в выходное напряжение в соответствии с вольт-ваттной характеристикой и, тем самым, мощность в приемном канале снижается. При возникновении на выходе детекторного диода 21 напряжения усилитель постоянного тока 22 усиливает сигнал и подает на компаратор 23. Компаратор 23 при превышении порогового напряжения на своем выходе имеет логическую единицу (уровень +5 В), которая подается на вход логического элемента 24, который в соответствии с установленной логикой (при двух логических «1» есть выходное напряжение) подает сигнал (команду) на модулятор 25 отключить питание активных элементов(согласующих усилителей 6 и малошумящего усилителя 14) приемных каналов. При этом активные элементы приемных каналов вместо усиления принимаемого сигнала начинают вносить большое значение СВЧ-потерь мощности и, тем самым, снижают мощность проходящего сигнала, что повышает надежность приемных каналов ППМ АФАР.
Вывод контрольного сигнала 26 позволяет получить информацию о присутствии высокого уровня мощности на входе приемного канала и подать сигнал на бортовую ЭВМ АФАР для его контроля и идентификации.
Применение предлагаемого ППМ с увеличенной надежностью приемных каналов позволило увеличить угол обзора контролируемого пространства на 7%, повысить точность определения координат цели на 15% и потенциал системы на 17%. Причем эти увеличения получены одновременно. Предлагаемый ППМ дает возможность обнаружения сигнала внешнего облучения АФАР СВЧ-диапазона.