Способ построения приёмопередающего модуля активной фазированной антенной решётки
METHOD OF CONSTRUCTING A TRANSCEIVER MODULE OF AN ACTIVE PHASED ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к приемопередающим устройствам СВЧ колебаний, предназначенным для работы в составе активной фазированной антенной решетки (АФАР).
Известен способ построения приемопередающего модуля (ППМ) [1 - стр. 551. Справочник по радиолокации / Под ред. М.И. Сколника. М.: Техносфера. 2014. Кн.1], при котором устанавливают радиоэлектронные узлы ППМ в отдельный металлический корпус, при этом на дне корпуса устанавливают устройство управления, фазовращатель, первый вход-выход которого является входом-выходом ППМ, а его второй вход-выход через коммутатор соединяют со входом передающей части ППМ с твердотельным усилителем мощности, выход передающей части соединяют через согласующее устройство с антенным разъемом, вход приемной части соединяют со вторым выходом согласующего устройства, а выход с коммутатором, при этом корпус ППМ закрывается крышкой.
К недостаткам известного способа следует отнести:
- избыточную массу АФАР, построенных на основе таких ППМ за счет того, что каждый канал имеет свой металлический корпус, а для построения многоэлементной антенной решетки требуется большое количество ППМ;
- большое количество связей в АФАР за счет того, что необходимо устанавливать соединения между каналами АФАР;
- потери мощности передаваемого и принимаемого сигнала в кабеле, соединяющем приемопередающий модуль с антенным элементом АФАР;
- радиоэлектронные узлы установлены на одной стороне корпуса, что значительно увеличивает размеры корпуса.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ построения радиоэлектронного модуля [2 - рис. 2.28, стр. 150 - Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлетронной аппаратуре. М; Высш.шк., 1984. - 247 с], взятый за прототип, заключающийся в том, что устанавливают радиоэлектронные узлы модуля на одну сторону монтажной платы, отводят тепло от них с помощью тепловых труб, установленных в монтажной плате и соединенных одним из концов с теплостоком, от которого отводят тепло путем конвективного воздушного охлаждения при установке его в приборную стойку.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- прототип имеет большие размеры за счет низкой плотности монтажа узлов модуля, которые устанавливаются только на одной стороне теплоотводящего основания;
- в прототипе существуют избыточные потери передаваемого и принимаемого сигналов, поскольку соединение приемопередающего модуля с антенным элементом, через который производится излучение и прием сигналов, производится с помощью кабелей. При этом потери будут определяться длиной кабеля и потерями в соединителях, что вызывает ухудшение параметров АФАР.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение размеров приемопередающего модуля.
Для решения указанной задачи предлагается способ построения ППМ АФАР, при котором устанавливают радиоэлектронные узлы модуля на теплоотводящее основание со встроенными тепловыми трубами, соединенных одним концом с теплостоком, расположенном на задней поверхности корпуса модуля, отводят тепло от узлов модуля через теплосток во внешнюю систему охлаждения.
Согласно изобретению, радиоэлектронные узлы приемопередающего модуля устанавливают с двух сторон на теплоотводящее основание, в корпус приемопередающего модуля устанавливают N приемопередающих каналов с твердотельными усилителями мощности в передающей части каждого канала, а также модуль управления и цифровой обработки сигналов, при этом количество тепловых труб в теплоотводящем основании определяется числом N каналов, на переднюю панель корпуса приемопередающего модуля устанавливают N антенных элементов и соединяют каждый антенный элемент линией связи минимальной длины с одним из приемопередающих каналов, устанавливают расстояние между антенными элементами в зависимости от требуемого сектора сканирования диаграммы направленности приемопередающего модуля, а размеры передней панели приемопередающего модуля выполняют с учетом возможности формирования антенной решетки путем установки нескольких приемопередающих модулей вплотную друг с другом с сохранением расстояния между антенными элементами в антенной решетке, устанавливают размер теплостока таким образом, чтобы на задней поверхности корпуса приемопередающего модуля можно было разместить электрические разъемы.
Техническим результатом предлагаемого способа является снижение потерь передаваемого и принимаемого сигналов.
Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:
- в прототипе радиоэлектронные узлы модуля устанавливаются на одной стороне теплоотводящего основания, в предлагаемом способе радиоэлектронные узлы устанавливаются с двух сторон теплоотводящего основания, что почти в два раза снижает габаритные размеры корпуса ППМ;
- в прототипе используются соединения между модулем и антенными элементами с помощью кабелей, что вызывает избыточные потери принимаемого и передаваемого сигналов и ухудшает параметры АФАР, в предлагаемом способе антенные элементы установлены на передней панели приемопередающего модуля в непосредственной близости от приемопередающих каналов и соединены с ними линиями связи минимальной длины.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого способа построения приемопередающего модуля из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1. приведен один из вариантов приемопередающего модуля, построенного с использованием предлагаемого способа.
На фиг. 2 приведен один из вариантов размещения тепловых труб в теплоотводящем основании.
При реализации предложенного способа выполняется следующая последовательность действий:
- устанавливают радиоэлектронные узлы приемопередающего модуля на теплоотводящее основание со встроенными тепловыми трубами, соединенных одним концом с теплостоком, расположенном на задней поверхности корпуса приемопередающего модуля, отводят тепло от узлов модуля через теплосток во внешнюю систему охлаждения - 1;
- радиоэлектронные узлы приемопередающего модуля устанавливают на теплоотводящее основание с двух сторон, в корпус приемопередающего модуля устанавливают N приемопередающих каналов с твердотельными усилителями мощности в передающей части каждого канала, а также модуль управления и цифровой обработки сигналов, при этом количество тепловых труб в теплоотводящем основании определяется числом N каналов - 2;
- на переднюю панель корпуса приемопередающего модуля устанавливают N антенных элементов и соединяют каждый антенный элемент линией связи минимальной длины с одним из приемопередающих каналов - 3;
- устанавливают расстояние между антенными элементами в зависимости от требуемого сектора сканирования диаграммы направленности приемопередающего модуля, а размеры передней панели приемопередающего модуля выполняют с учетом возможности формирования антенной решетки путем установки нескольких приемопередающих модулей вплотную друг с другом с сохранением расстояния между антенными элементами в антенной решетке - 4,
- устанавливают размер теплостока таким образом, чтобы на задней поверхности корпуса приемопередающего модуля можно было разместить электрические разъемы -5.
Один из вариантов ППМ, содержащего четыре канала, построенного с использованием предлагаемого способа, содержит (фиг. 1) теплоотводящее основание 1, переднюю панель 2 и теплосток 3, расположенный на задней поверхности корпуса модуля.
В теплоотводящем основании 1 выполнены канавки 4 (фиг. 2) для установки тепловых труб 5. На фиг. 2 показана часть теплоотводящего основания 1, в котором в одной из канавок 4 для примера показана только часть тепловой трубы 5.
Радиоэлектронные узлы приемопередающего модуля устанавливают на обе стороны теплоотводящего основания 1. При этом приемные части приемопередающих каналов под единой крышкой 6 (фиг. 1) располагают на одной стороне теплоотводящего основания 1, параллельно друг другу таким образом, чтобы антенные разъемы (на фиг. 2 не показаны) выходили на переднюю панель 2 ППМ и соединялись короткими линиями связи с антенными элементами 7. На верхней стороне теплоотводящего основания 1 располагаются также модуль управления и цифровой обработки сигналов 8 и блок интерфейсов 9. Передающие части 10 приемопередающих каналов устанавливают на другую сторону теплоотводящего основания 1. На фиг. 2 показан пример ППМ с четырьмя каналами.
Размер теплостока 3 обеспечивает установку на задней поверхности корпуса ППМ электрических разъемов 11.
X
Расстояние d между антенными элементами 7 определяется максимальным углом отклонения 0 максимума диаграммы направленности в азимутальной плоскости при использовании ППМ в АФАР в соответствии [3-стр. 34, Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д.И. Воскресенского, М., «Радиотехника», 2003] соотношением:
где λ - длина волны используемого сигнала.
Размеры передней панели 2 выполняют с учетом возможности формирования антенной решетки путем установки нескольких приемопередающих модулей вплотную друг с другом с сохранением расстояния между антенными элементами в антенной решетке.
Предлагаемый ППМ обеспечивает построение на его основе антенных устройств с большим числом антенных элементов путем установки требуемого количества ППМ рядом друг с другом, при этом сохраняется расчетное расстояние между антенными элементами.
Предлагаемый способ построения ППМ обеспечивает:
- снижение размеров приемопередающего модуля за счет установки радиоэлектронных узлов с двух сторон теплоотводящего основания 1, в то время как в прототипе радиоэлектронные узлы устанавливаются только на одной стороне теплоотводящего основания. За счет этого габаритные размеры ППМ, реализованного по предлагаемому способу, уменьшаются почти в два раза относительно прототипа;
- снижение потерь передаваемого и принимаемого сигнала за счет расположения антенных элементов в непосредственной близости от приемопередающих каналов ППМ с твердотельными усилителями мощностями и уменьшения длины соединений между ними, в то время как в прототипе соединение с антенными элементами осуществляется с помощью кабелей, что вызывает потери передаваемого и принимаемого сигнала.
Работоспособность предлагаемого способа была проверена на макете устройства (фиг. 1). Испытания показали совпадение полученных характеристик с расчетными.