ПРИЁМО-ПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛЬ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЁТКИ

Предлагаемое техническое решение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве приемо-передающего модуля (ППМ) активных фазированных антенных решеток (АФАР), в которых, наряду с высокой эффективностью защиты входа приемного и выхода передающего каналов ППМ, требуется высокий коэффициент полезного действия (КПД) АФАР.
Широко известны ППМ АФАР, содержащие приемный и передающий каналы, узел разделения передаваемого и принимаемого сигналов - либо коммутатор [Голик А.М., Емец В.Ф., Клейменов Ю.А., Левчук В.Б. «Приемопередающие модули активных ФАР», Зарубежная радиоэлектроника 1993, №5, с. 12-19»], либо циркулятор [В.А. Коломейцев, А.В. Езопов «Электромагнитное взаимодействие компонентов приемного и передающего каналов в приемо-передающих модулях АФАР X-диапазона», Sciencejournal. sstu.ru, с. 18]. Функционально, в состав приемного канала входят следующие устройства: Устройство защиты приемника - обычно либо разрядник, либо другое пороговое устройство, предотвращающее перегрузку приемного канала. Малошумящий усилитель (МШУ), обеспечивающий необходимую чувствительность приемного канала. Фазовращатель - устройство фазовой задержки сигнала в канале для задания фазового распределения по всему раскрыву решетки. Аттенюатор - устройство задания (понижения, ослабления) амплитуды сигнала для задания амплитудного распределения по раскрыву решетки. Следует заметить, что возможно и другое построение приемного канала. Так после МШУ сигнал переносят по частоте и оцифровывают, а все фазовые и амплитудные распределения моделируются и просчитываются в вычислителе [В.Л. Гостюхин, В.Н. Трусов, А.В. Гостюхин «Активные фазированные антенные решетки», Радиотехника, Москва 2011, с. 22]. Состав передающего канала схож с составом приемного канала. Отличие заключается в отсутствии устройства защиты и меньших требованиях к усилителю по шумам в передающем канале. Тем не менее, передающий усилитель должен обладать большей выходной мощностью, чем приемный. К узлу разделения передаваемого и принимаемого сигналов предъявляются повышенные требования к развязке, поскольку ее считают причиной просачивания выходной мощности передающего канала на вход приемного канала. Однако эти ППМ АФАР имеют существенный недостаток. При сканировании лучом пространства в такте передачи, в зависимости от угла его отклонения, антенные выходы решетки, из-за взаимного влияния излучателей, испытывают значительное рассогласование. Таким образом, выход передающего канала оказывается нагруженным на несогласованную нагрузку. Появляется отраженная от антенного входа волна, идущая в обратном направлении сразу на выход передающего канала, если ППМ АФАР с коммутатором, либо на вход защитного устройства приемного канала, если ППМ АФАР с циркулятором, и далее отразившись от защитного устройства, она снова через циркулятор попадает на выход передающего канала, что приводит к его перегрузке.
Этот недостаток частично устранен в ППМ АФАР, описанном в патенте РФ (RU 2206155) «Приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки», и являющимся прототипом заявленного технического решения, за счет введения дополнительного циркулятора с согласованной нагрузкой между выходом третьего плеча входного циркулятора и входом защитного устройства. В данном случае помимо эффективной защиты приемника, реализуется также и защита выхода передающего канала от перегрузки, поскольку отраженная от защитного устройства волна не попадает на его выход, а сбрасывается в согласованную нагрузку. Недостатком является снижение КПД АФАР за счет поглощения согласованной нагрузкой мощности отраженной вследствие рассогласования.
Технической задачей разработанного технического решения является повышение КПД АФАР.
Поставленная задача достигается тем, что ППМ АФАР содержит передающий и приемный каналы, первое направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей, вход падающей мощности которого соединен с выходом передающего канала, а выход отраженной мощности соединен с входом падающей мощности второго направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей, которое через защитное устройство соединено с входом приемного канала, причем выход отраженной мощности второго направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей, подключен к входу падающей мощности третьего направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей, подключенному к выпрямителю, нагруженному на вход обратноходового преобразователя, выход которого подключен к цепи питания передающего канала, а выход отраженной мощности третьего направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей подключен к согласованной нагрузке.
Полезная модель поясняется чертежами.
На Фиг. 1 изображена электрическая принципиальная схема ППМ АФАР.
На Фиг. 2 изображена электрическая схема практической реализации ППМ АФАР.
ППМ АФАР, содержит передающий 1 и приемный 2 каналы, первое направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 3, вход падающей мощности которого соединен с выходом передающего канала 1, а выход отраженной мощности соединен с входом падающей мощности второго направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей 4, которое через защитное устройство 5 соединено с входом приемного канала 2, при этом выход отраженной мощности второго направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей 4, подключен к входу падающей мощности третьего направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей 6, подключенного к выпрямителю 7, нагруженному на вход обратноходового преобразователя 8, выход которого подключен к цепи питания передающего канала 1, а выход отраженной мощности третьего направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей 6 подключен к согласованной нагрузке 9.
ППМ АФАР работает следующим образом. В режиме передачи, передающий канал 1, через первое направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 3, подает сигнал на выход ППМ АФАР (далее в антенную решетку). Часть мощности, из-за рассогласования антенной решетки, отражается назад в обратном направлении, и снова через первое направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 3, далее через второе направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 4 попадает на защитное устройство 5 приемного канала 2. Отразившись от защитного устройства 5, эта мощность, через второе направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 4, с его выхода отраженной мощности, через третье направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 6, поступает на выпрямитель 7, где частично преобразуется в постоянный ток, энергия которого, с помощью обратноходового преобразователя 8 направляется в цепь питания передающего канала 1 для вторичного использования. Обратноходовой преобразователь 8 представляет собой высокочастотный корректор коэффициента мощности, имеющий вторичную обмотку дросселя для сброса энергии на обратном ходе, накопленной во время прямого хода, во внешнюю цепь (цепь питания передающего канала 1), и создающий при этом оптимальную для КПД выпрямителя 7 постоянную квазиактивную нагрузку. Оставшаяся часть мощности (отраженная вследствие рассогласования), которая не была преобразована выпрямителем 7 в постоянный ток во время переходных процессов на фронтах импульсов мощности рассогласования, отразившись от выпрямителя 7, через третье направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 6, с его выхода отраженной мощности поступает на согласованную нагрузку 9, где и поглощается. Таким образом, часть мощности, отраженной обратно в ППМ АФАР, из-за рассогласования антенной решетки, используется вторично (рекуперируется) в передающем канале 1 (так как отраженная мощность присутствует во время такта передачи), а не рассеивается в тепло внутри ППМ АФАР. Тем самым, при сохранении эффективности защиты входа приемного и выхода передающего каналов, рекуперация отраженной мощности снижает электропотребление ППМ АФАР, увеличивая тем самым КПД АФАР.
Предлагаемое техническое решение предполагает различные варианты его реализации в зависимости от построения направленных устройств разделения падающей и отраженной мощностей. Например это могут быть наиболее известные ферритовые Y-циркуляторы, а могут быть использованы квадратурные мосты. Квадратурный мост с одинаковыми нагрузками в выходных плечах, относительно входных плеч, функционально эквивалентен циркулятору, при этом имеет гораздо меньшие потери, большую широкополосность и лучшую температурную стабильность. Поэтому, если схемотехнически это представляется возможным, то квадратурному мосту в качестве направленного устройства разделения падающей и отраженной мощности, следует отдавать предпочтение. Так в практически реализованном образце ППМ (Фиг 2), работающем на излучатель круговой поляризации с ортогональным питанием, в качестве направленных устройств разделения падающей и отраженной мощностей использованы квадратурные мосты, как для разделения каналов передачи и приема 3, так и в качестве развязывающих устройств приемного канала 2 и выпрямителя 7. Входная часть приемного канала 2 выполнена по схеме балансного усилителя. Этот балансный усилитель, состоящий из двух идентичных усилителей с двухканальным защитным устройством 5, содержит на своем входе квадратурный мост 4, который при срабатывании защитного устройства 5, сбрасывает отраженную мощность в балластную цепь (в данном случае, через развязывающее устройство, в выпрямитель 7). Выпрямитель 7, с применением мощных арсенид галлиевых диодов Шоттки, выполнен по балансной схеме (с квадратурным мостом 6), и состоит из двух одинаковых секций полумостов с удвоением напряжения, работающих на общую нагрузку (обратноходовой преобразователь 8). Секции выпрямителей содержат на своих входах фильтры вторых гармоник. Испытания опытного образца показали, что при импульсной мощности передающего канала 300 Вт (частота f=400 МГц, скважность=2, КСВн нагрузки=3) отраженная импульсная мощность составила порядка 80 Вт, а КПД выпрямителя составил 60-70%, причем с ростом частоты следования импульсов (при постоянной скважности равной двум) КПД выпрямления падал. На частоте следования 200 Гц КПД выпрямителя составил 60%, а на частоте следования 30 Гц уже 70%, при этом реальный КПД АФАР возрос на 5%.
Таким образом, применение ППМ АФАР разработанной конструкции позволяет при сохранении эффективности защиты входа приемного и выхода передающего каналов ППМ АФАР повысить КПД АФАР.