eng
Выпуск #9/2018
Аболдуев Игорь Михайлович, Борисов Олег Валерьевич, Герасимов Андрей Олегович, Колковский Юрий Владимирович, Миннебаев Вадим Минхатович, Осиповский Алексей Алексеевич, Редька Алексей Владимирович, Редька Андрей Владимирович, Тихомиров Александр Владимиров
Антенные модули для АФАР Х-диапазона
Антенные модули для АФАР Х-диапазона
Просмотры: 3640
УДК 621.3
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.505.510
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.505.510
Антенные модули (МА) являются основным конструктивным и радиотехническим элементом активных фазированных антенных решеток (АФАР) различного назначения. МА является законченной конструктивной единицей и подлежит всему комплексу испытаний как законченное изделие. В АО «НПП «Пульсар» на основе нитрид-галлиевой ЭКБ собственного изготовления разрабатываются и изготавливаются МА для радиолокаторов с синтезированной апертурой с АФАР космического применения.
В зависимости от типа излучателей АФАР и требований к излучаемой пиковой мощности, антенный модуль, его состав, геометрические и тактико-технические характеристики могут корректироваться. При этом технологический процесс изготовления и основные конструктивные элементы остаются неизменными, то есть сохраняется конструктивно-технологическая преемственность. Ниже представлены два типа МА, разработанных в АО «НПП «Пульсар».
В состав модуля антенного (рис. 1) входят 32 приемопередающих (ППМ) двухполяризационных модуля, 4 микрополосковые 8-канальные антенные решетки, 8 делителей/сумматоров на 8, модуль диаграммообразования, 2 вторичных источника питания, блок управления антенным модулем, СВЧ и НЧ кабельные сети.
В состав антенного модуля, изображенного на рис. 2, входят двухканальные двухполяризационные приемопередающие модули (8 шт.), делитель/сумматор на 8, вторичный источник питания и 2 групповых излучателя. В отличие от 1 варианта, где за формирование диаграммы направленности антенны отвечает специализированный модуль, в варианте 2 его функция возлагается на отдельный модуль предварительного усиления и задержки, включенный в состав секции АФАР и обслуживающий 4 МА одновременно.
В зависимости от системных требований к радиолокатору антенные модули отличаются конфигурацией приемопередающих модулей и составом передающих и приемных трактов. ППМ является основой пространственного канала обработки сигнала в МА и в АФАР в целом. Около 80 % стоимости антенного модуля приходится на ППМ. Для каждого антенного модуля (Тип 1 и Тип 2) были разработаны приемопередающие модули. Основой всех разработанных ППМ служат изготовленные на предприятии мощные нитридгаллиевые транзисторы. ГИС усилителей мощности на основе этих кристаллов позволили обеспечить необходимый уровень выходной мощности при длительности импульса τИ = 10–60 мкс и скважности Q = 10. В состав приемных и передающих трактов входят три типа кристаллов GaN транзисторов с ширинами затворов WЗ1 = 250 мкм, WЗ2 = 1000 мкм и WЗ3 = 5000 мкм. Удельная выходная мощность составляет РВЫХ.УД. ≥ 5 Вт/мм, кроме того для GaN HEMT с WЗ1 = 250 мкм коэффициент шума на F = 10 ГГц составляет КШ ≤ 1,9 дБ.
В зависимости от системы, в которой используется ППМ, выдвигаются требования не только по уровню выходной мощности передающего тракта, коэффициента шума приемного, но и к количеству каналов в составе одного модуля. Основные технические характеристики разработанных модулей представлены в табл. 1.
Конструктивно приемопередающий модуль Тип 1 представляет собой герметичный одноканальный двухполяризационный модуль с коаксиальными входами/выходами. ППМ осуществляет усиление и передачу зондирующего сигнала в одной из поляризаций (Г или В), а также прием и усиление отраженного сигнала в двух поляризациях (ГВ, Г или В). Режим работы — симплексный. В модуле реализована возможность независимого управления фазовой характеристикой передающих и приемных каналов, а также амплитудной характеристикой приемных каналов. С этой целью в модуле установлены цифровые шестиразрядные фазо¬вращатели и пятиразрядные аттенюаторы, а также плата управления с размещенной на ней схемой подачи питания и управления. При разработке модуля стояла задача реализации функции контроля, обеспечивающей сквозные проверки приемного и передающего каналов, схемы защиты по цепям питания, управления, модуляции, а также обеспечение контроля температуры и автоматического отключения ППМ в случае превышения максимально-допустимого значения температуры. Блок-схема ППМ представлена на рис. 3.
ППМ Тип 2 представляет собой герметичный двухканальный модуль с возможностью переключения поляризации излучаемого и принимаемого сигналов «1 вход — 4 выхода». Особенность модуля заключатся в том, что структурная схема построена таким образом, что используемые в передающем канале цифровые аттенюаторы и фазовращатели, а также предварительный усилитель мощности, также являются элементами приемных трактов ППМ. Блок-схема ППМ представлена на рис. 4.
Особенностью приемопередающих модулей является «привязка» входных и выходных разъемов модуля к конструкции излучающей части модуля антенного, что требует дополнительное тепловое, конструкторское и радиотехническое макетирование ППМ для реализации заданных характеристик МА. Внешний вид разработанных ППМ представлен на рис. 5 и рис. 6, соответственно.
Измерения электродинамических характеристик модулей антенных проводятся в безэховой камере. В состав безэховой камеры входит автоматизированный стенд измерений, включающий в себя два опорно-поворотных устройства, сканер ближней зоны, а также оборудование для проведения измерений характеристик МА с апертурой до 0,5 метра в дальней зоне. На рис. 7 представлен модуль антенный (Тип 1) на опорно-поворотном устройстве безэховой камеры.
Электронное сканирование проводится в угломестной плоскости с шагом перестройки 1°. Сектор сканирования ±20 градусов. Полученные результаты измерений показывают хорошее совпадение с расчетами, что, в свою очередь, говорит о правильности выбранных конструкторских и технологических решений построения модулей антенных. На рис. 8 представлено семейство диаграмм направленности ¼ МА (Тип 1) в угломестной плоскости. Диаграмма направленности модуля антенного (Тип 2) представлена на рис. 9.
ЛИТЕРАТУРА
1. Борисов О. В., Герасимов А. О. Колковский Ю. В., Миннебаев В. М., Никольская Ю. О., Редька Ал. В., Редька Ан. В. 2-х канальный нитридгаллиевый приемопередающий модуль Х-диапазона частот // Материалы XIV научно-технической конференции, 2015 г. — С. 137–140.
2. Колковский Ю. В., Миннебаев В. М., Никольская Ю. О., Редька Ал. В. Двухканальный приемопередающий модуль для АФАР Х-диапазона на широкозонных полупроводниковых приборах // Материалы Международной конференции «Микроэлектроника-2015», 2015 г. — С. 192–195.
3. Белолипецкий А. В., Борисов О. В., Колковский Ю. В., Легай Г. В., Миннебаев В. М., Крохин А. П., Савкин Ю. П., Редька Ал. В., Редька Ан. В. Антенный электронный блок для спутниковой АФАР Х-диапазона // Материалы XV научно-технической конференции, 2017 г. — С. 60–62.
4. Белолипецкий А. В., Борисов О. В., А.О. Герасимов, Колковский Ю. В., Лычагин А. Ю., Миннебаев В. М., Осиповский А. А., Редька Ал. В., Редька Ан. В., Хабаров И. А. Модуль антенный АФАР Х-диапазона // Материалы XV научно-технической конференции, 2017 г. — С. 288–289.
5. Белолипецкий А. В., Борисов О. В., Колковский Ю. В., Легай Г. В., Миннебаев В. М., Крохин А. П., Савкин Ю. П., Редька Ал. В., Редька Ан. В. Антенный электронный блок для спутниковой АФАР Х-диапазона // Электронная техника, Серия 2 Выпуск 3 (246). 2017 г. — C. 15–25.
6. Васильев А. Г., Колковский Ю. В., Корнеев С. В., Дорофеев А. А., Миннебаев В. М. SiGe и GaN приборы для приемопередающих и передающих модулей // Электронные техника, Серия 2. Полупроводниковые приборы, 2009 г., № 2. — C. 5–10.
7. Груздов В. В., Герасимов А. О., Миннебаев В. М., Перевезенцев А. В. Вопросы устойчивости ППМ на GaN к входной СВЧ мощности // Мокеровские чтения. Труды 7-й Международной научно-практической конференции по физике и технологиям наноструктурной СВЧ электроники — НИЯУ МИФИ, 2016. — С. 41–42
8. Верба В. С., Неронский Л. Б., Осипов И. Г., Турук В. Э. // Радио¬локационные системы землеобзора космического базирования // Под ред. В. С. Вербы. М. Радиотехника, 2010.
9. Колковский Ю. В., Миннебаев В. М. Применение GaN устройств в условиях космического пространства // Электронные техника, Серия 2. Полупроводниковые приборы, 2014 г., № 2 (233). — С. 20–27.
10. Вендик О. Г., Парнес М. Д. // Антенны с электрическим сканированием.
В зависимости от типа излучателей АФАР и требований к излучаемой пиковой мощности, антенный модуль, его состав, геометрические и тактико-технические характеристики могут корректироваться. При этом технологический процесс изготовления и основные конструктивные элементы остаются неизменными, то есть сохраняется конструктивно-технологическая преемственность. Ниже представлены два типа МА, разработанных в АО «НПП «Пульсар».
В состав модуля антенного (рис. 1) входят 32 приемопередающих (ППМ) двухполяризационных модуля, 4 микрополосковые 8-канальные антенные решетки, 8 делителей/сумматоров на 8, модуль диаграммообразования, 2 вторичных источника питания, блок управления антенным модулем, СВЧ и НЧ кабельные сети.
В состав антенного модуля, изображенного на рис. 2, входят двухканальные двухполяризационные приемопередающие модули (8 шт.), делитель/сумматор на 8, вторичный источник питания и 2 групповых излучателя. В отличие от 1 варианта, где за формирование диаграммы направленности антенны отвечает специализированный модуль, в варианте 2 его функция возлагается на отдельный модуль предварительного усиления и задержки, включенный в состав секции АФАР и обслуживающий 4 МА одновременно.
В зависимости от системных требований к радиолокатору антенные модули отличаются конфигурацией приемопередающих модулей и составом передающих и приемных трактов. ППМ является основой пространственного канала обработки сигнала в МА и в АФАР в целом. Около 80 % стоимости антенного модуля приходится на ППМ. Для каждого антенного модуля (Тип 1 и Тип 2) были разработаны приемопередающие модули. Основой всех разработанных ППМ служат изготовленные на предприятии мощные нитридгаллиевые транзисторы. ГИС усилителей мощности на основе этих кристаллов позволили обеспечить необходимый уровень выходной мощности при длительности импульса τИ = 10–60 мкс и скважности Q = 10. В состав приемных и передающих трактов входят три типа кристаллов GaN транзисторов с ширинами затворов WЗ1 = 250 мкм, WЗ2 = 1000 мкм и WЗ3 = 5000 мкм. Удельная выходная мощность составляет РВЫХ.УД. ≥ 5 Вт/мм, кроме того для GaN HEMT с WЗ1 = 250 мкм коэффициент шума на F = 10 ГГц составляет КШ ≤ 1,9 дБ.
В зависимости от системы, в которой используется ППМ, выдвигаются требования не только по уровню выходной мощности передающего тракта, коэффициента шума приемного, но и к количеству каналов в составе одного модуля. Основные технические характеристики разработанных модулей представлены в табл. 1.
Конструктивно приемопередающий модуль Тип 1 представляет собой герметичный одноканальный двухполяризационный модуль с коаксиальными входами/выходами. ППМ осуществляет усиление и передачу зондирующего сигнала в одной из поляризаций (Г или В), а также прием и усиление отраженного сигнала в двух поляризациях (ГВ, Г или В). Режим работы — симплексный. В модуле реализована возможность независимого управления фазовой характеристикой передающих и приемных каналов, а также амплитудной характеристикой приемных каналов. С этой целью в модуле установлены цифровые шестиразрядные фазо¬вращатели и пятиразрядные аттенюаторы, а также плата управления с размещенной на ней схемой подачи питания и управления. При разработке модуля стояла задача реализации функции контроля, обеспечивающей сквозные проверки приемного и передающего каналов, схемы защиты по цепям питания, управления, модуляции, а также обеспечение контроля температуры и автоматического отключения ППМ в случае превышения максимально-допустимого значения температуры. Блок-схема ППМ представлена на рис. 3.
ППМ Тип 2 представляет собой герметичный двухканальный модуль с возможностью переключения поляризации излучаемого и принимаемого сигналов «1 вход — 4 выхода». Особенность модуля заключатся в том, что структурная схема построена таким образом, что используемые в передающем канале цифровые аттенюаторы и фазовращатели, а также предварительный усилитель мощности, также являются элементами приемных трактов ППМ. Блок-схема ППМ представлена на рис. 4.
Особенностью приемопередающих модулей является «привязка» входных и выходных разъемов модуля к конструкции излучающей части модуля антенного, что требует дополнительное тепловое, конструкторское и радиотехническое макетирование ППМ для реализации заданных характеристик МА. Внешний вид разработанных ППМ представлен на рис. 5 и рис. 6, соответственно.
Измерения электродинамических характеристик модулей антенных проводятся в безэховой камере. В состав безэховой камеры входит автоматизированный стенд измерений, включающий в себя два опорно-поворотных устройства, сканер ближней зоны, а также оборудование для проведения измерений характеристик МА с апертурой до 0,5 метра в дальней зоне. На рис. 7 представлен модуль антенный (Тип 1) на опорно-поворотном устройстве безэховой камеры.
Электронное сканирование проводится в угломестной плоскости с шагом перестройки 1°. Сектор сканирования ±20 градусов. Полученные результаты измерений показывают хорошее совпадение с расчетами, что, в свою очередь, говорит о правильности выбранных конструкторских и технологических решений построения модулей антенных. На рис. 8 представлено семейство диаграмм направленности ¼ МА (Тип 1) в угломестной плоскости. Диаграмма направленности модуля антенного (Тип 2) представлена на рис. 9.
ЛИТЕРАТУРА
1. Борисов О. В., Герасимов А. О. Колковский Ю. В., Миннебаев В. М., Никольская Ю. О., Редька Ал. В., Редька Ан. В. 2-х канальный нитридгаллиевый приемопередающий модуль Х-диапазона частот // Материалы XIV научно-технической конференции, 2015 г. — С. 137–140.
2. Колковский Ю. В., Миннебаев В. М., Никольская Ю. О., Редька Ал. В. Двухканальный приемопередающий модуль для АФАР Х-диапазона на широкозонных полупроводниковых приборах // Материалы Международной конференции «Микроэлектроника-2015», 2015 г. — С. 192–195.
3. Белолипецкий А. В., Борисов О. В., Колковский Ю. В., Легай Г. В., Миннебаев В. М., Крохин А. П., Савкин Ю. П., Редька Ал. В., Редька Ан. В. Антенный электронный блок для спутниковой АФАР Х-диапазона // Материалы XV научно-технической конференции, 2017 г. — С. 60–62.
4. Белолипецкий А. В., Борисов О. В., А.О. Герасимов, Колковский Ю. В., Лычагин А. Ю., Миннебаев В. М., Осиповский А. А., Редька Ал. В., Редька Ан. В., Хабаров И. А. Модуль антенный АФАР Х-диапазона // Материалы XV научно-технической конференции, 2017 г. — С. 288–289.
5. Белолипецкий А. В., Борисов О. В., Колковский Ю. В., Легай Г. В., Миннебаев В. М., Крохин А. П., Савкин Ю. П., Редька Ал. В., Редька Ан. В. Антенный электронный блок для спутниковой АФАР Х-диапазона // Электронная техника, Серия 2 Выпуск 3 (246). 2017 г. — C. 15–25.
6. Васильев А. Г., Колковский Ю. В., Корнеев С. В., Дорофеев А. А., Миннебаев В. М. SiGe и GaN приборы для приемопередающих и передающих модулей // Электронные техника, Серия 2. Полупроводниковые приборы, 2009 г., № 2. — C. 5–10.
7. Груздов В. В., Герасимов А. О., Миннебаев В. М., Перевезенцев А. В. Вопросы устойчивости ППМ на GaN к входной СВЧ мощности // Мокеровские чтения. Труды 7-й Международной научно-практической конференции по физике и технологиям наноструктурной СВЧ электроники — НИЯУ МИФИ, 2016. — С. 41–42
8. Верба В. С., Неронский Л. Б., Осипов И. Г., Турук В. Э. // Радио¬локационные системы землеобзора космического базирования // Под ред. В. С. Вербы. М. Радиотехника, 2010.
9. Колковский Ю. В., Миннебаев В. М. Применение GaN устройств в условиях космического пространства // Электронные техника, Серия 2. Полупроводниковые приборы, 2014 г., № 2 (233). — С. 20–27.
10. Вендик О. Г., Парнес М. Д. // Антенны с электрическим сканированием.
Отзывы читателей
