Антенные фазированные решетки.
Обзор компонентной базы для реализации приемопередающих модулей

Введение

В целом структура современного радиолокатора мало отличается от систем, разработанных на заре становления радиолокации, — антенная система, приемник, передатчик, система обработки информации. Развитие техники в этой области двигалось в направлении усовершенствования каждой составной части параллельно. Однако именно развитию антенных систем и постепенному интегрированию антенны как таковой с трактами приемника и передатчика уделялось особое внимание. В совокупности с совершенствованием элементной базы и переходом к использованию в радиолокационных целях все более высоких частот, в широкое применение вошли антенные системы типа фазированная решетка.

Фазированная антенная решетка — антенна, состоящая из группы излучателей, фазой сигнала в которых можно управлять независимо, формируя эффективное излучение антенны в целом на одном, желаемом направлении, отличном от направления эффективного излучения отдельного элемента. Таким образом, появилась возможность эффективно управлять лучом антенны электронным способом.

На рис. 1 схематично показан принцип формирования фазового фронта и направление суммарного луча антенной решетки перпендикулярно этой плоскости равных фаз.

Рис. 1. Обеспечение наклона луча фазированной антенной решетки

Также на рис. 1 можем увидеть обобщенный принцип построения систем с использованием фазированных антенных решеток. Входной сигнал делится на множество каналов, соответствующих количеству элементов решетки, сигнал в каждом канале получает фазовое смещение, необходимое для определенного положения луча (лучей) решетки в пространстве.

Следует разделять два основных вида систем на фазированных антенных решетках — пассивные антенные решетки и активные. Основное различие таково: в пассивных антенных решетках имеется один мощный приемопередатчик, чей сигнал делится на все каналы, условно содержание только элемент поворота фазы. В активных фазированных решетках (АФАР) канал каждого элемента решетки имеет свой собственный приемопередатчик. Каждая из концепций имеет свои плюсы и минусы: пассивные решетки значительно дешевле, но требуют применения очень мощных источников сигнала, которым, в свою очередь, необходима сложная схема питания, охлаждения. Активные решетки имеют огромный запас по надежности — выход из строя одного приемопередатчика не приводит к поломке всей системы, но количество используемых компонентов и сложность управления, синхронизации, в конце концов, стоимость устройства превышает стоимость пассивной решетки на порядки.

Однако развитие современной базы электронных компонентов, миниатюризация и вывод в массовое производство еще совсем недавно штучных технологий позволяют системам на АФАР вытеснять пассивные решетки не только с уже давно занятых позиций в авиационной и военной технике, но и в сугубо гражданских применениях — подповерхностном зондировании, радиолокаторах систем организации воздушного движения, космических программах и т. д.

Поэтому в дальнейшем заострим внимание именно на системах АФАР. Их основным элементом является приемопередающий модуль (ППМ), в современных системах зачастую антенна отдельного элемента решетки является частью конструктива ППМ. Пример внешнего вида современного ППМ показан на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид ППМ АФАР от компании Cassidian

По идеологии и схемотехнике приемопередающие модули могут реализовываться различными способами, но есть возможность обобщенного представления, составные части такой схемы, так или иначе, присутствуют во всех из них. Поэтому остановимся только на этих элементах и постараемся очертить круг компонентов, которые позволят решить задачу конструирования АФАР в самых популярных диапазонах частот:

• L — 1–2 ГГц;
• S — 2–4 ГГц;
• X — 8–12 ГГц.

Структурная схема ППМ, которую предлагается принять за исходную, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема ППМ

Аттенюаторы

Аттенюатор — элемент, общий для трактов приемника и передатчика. Предназначен для задания дополнительной вариативности сигналов не только по фазе, но и по амплитуде — позволяет уменьшить влияние боковых лепестков диаграммы, устранить неидентичность коэффициента передачи отдельных приемопередатчиков. Как правило, используется цифровой аттенюатор, так как управляемый аналогово будет сильно зависеть в своих характеристиках от качества управляющего сигнала.

Рассмотрим современные решения в области таких компонентов на примере продукции американской компании HittiteMicrowave, зарекомендовавшей себя как один из лидеров, выпускающих микросхемы СВЧ-диапазона. Портфолио этой компании включает практически все компоненты, необходимые для построения большинства СВЧ-устройств, поэтому разработчику не придется дополнительно искать комплектующие у других производителей.

Рис. 4. Структура аттенюатора HMC424LP3

Сегодня наблюдается тенденция к созданию широкополосных цифровых аттенюаторов, перекрывающих несколько частотных диапазонов, позволяя инженерам унифицировать свои разработки под разные применения. Следующий критерий выбора аттенюатора — диапазон ослабления и минимальный шаг. Современные решения предоставляют возможность получить более 30 и 0,5 дБ соответственно (табл. 1). Структурно, на примере HMC424LP3, цифровой аттенюатор представляет собой линейку фиксированных аттенюаторов с возможностью управления каждой секцией последовательным или параллельным кодом (рис. 4).

Двухполюсные переключатели

В рассматриваемой схеме (рис. 5) имеется три переключателя (ключа). Ключ 1 применяется для разделения основного сигнала на тракт приемника или передатчика, оставшиеся два (ключ 2 и 3) используются для подключения однонаправленных элементов (имеющих строгое направление «вход-выход») — общего предусилителя и фазовращателя в цепи приемника или передатчика, на выбор.

Рис. 5. Структура переключателя HMC232

В таблице 2 представлены основные характеристики наиболее интересных моделей от HittiteMicrowave.

Выбор переключателя осуществляется, прежде всего, по вносимым потерям и по развязке между каналами. Также следует уделять внимание времени переключения. Современные переключатели имеют возможность осуществления полного перехода от режима приема к передаче за единицы наносекунд, что существенно уменьшает мертвую зону видимости радиолокатора. Но надо заметить, что для такого времени переключения обычно требуется организация отрицательного напряжения управления. Это не так сложно реализовать, однако приводит к увеличению компонентов в схеме устройства.

Фазовращатель

Это основной элемент приемопередатчика АФАР (рис. 6). От него по большей части и будет зависеть качество работы всей системы. Рассмотрим некоторые решения также на примере HittiteMicrowave (табл. 3).

Рис. 6. Структура фазовращателя HMC936LP6E

Применяются, как правило, цифровые фазовращатели как более стабильные и помехозащищенные. Дискрета фазы в 5° обычно достаточно для решения существующих задач, диапазон перестройки фазы может доходить до 360°. В зависимости от реализации приемопередатчика конструктивно можно выбрать и вариант исполнения — корпусированный либо бескорпусной кристалл для использования в герметизированном объеме.

Структурно (рис. 6) фазовращатель имеет схожую компоновку с аттенюатором, рассмотренным выше: набор фиксированных элементов поворота фазы с возможностью управления каждой ячейкой в отдельности.

Общий предусилитель, предусилитель передатчика

Предлагается рассмотреть эти элементы совокупно, поскольку их параметры довольно схожи. Для предусилителей основной параметр — выходной динамический диапазон и коэффициент усиления, однако немаловажны и шумовые характеристики. Сводные характеристики таких усилителей производства HittiteMicrowave показаны в таблице 4.

По схеме на рис. 3 общий предусилитель призван компенсировать собственные потери двух ключей (около 2–3 дБ), фазовращателя (около 4–8 дБ) и аттенюатора (2–5 дБ) плюс потери в тракте на рассогласование. В итоге данный усилитель должен компенсировать около 12–18 дБ. Предусилитель передатчика должен в достаточно линейном режиме поднять уровень сигнала до величины, необходимой на входе оконечного каскада (каскадов) усилителя мощности.

Малошумящий усилитель и усилитель мощности

Два усилителя, выполняющих противоположные задачи: МШУ должен иметь максимально низкий коэффициент шума при большом коэффициенте усиления и динамическом диапазоне по входу, усилитель мощности должен довести сигнал до необходимого уровня на входе антенны, с максимальным коэффициентом усиления и минимальными искажениями.

С малошумящими усилителями ситуация довольно простая — большой выбор компонентной базы, примеры приведены в таблице 5.

В последнее время выбор компонентов для усилителя мощности становится довольно непростой задачей. Более-менее привлекательные модели попадают под лицензионный контроль иностранных правительств, и получение данных компонентов в России либо крайне затруднительно, либо вообще невозможно на данный момент. Поэтому закладывать лицензионные компоненты в новые разработки нежелательно вследствие возможных трудностей на стадии серийного производства.

Рис. 7. Мощные СВЧ-транзисторы производства NXP

В относительно низкочастотных диапазонах можно рекомендовать продукцию европейских производителей. В частности, компанию NXP и ее линейку GaN- и LDMOS-транзисторов (рис. 7), не подлежащих лицензированию со стороны государственных органов США. Перечень основных характеристик приведен в таблицах 6 и 7.

Таким образом, не существует каких-то проблем к получению выходной мощности вплоть до 350–500 Вт с одного транзистора в диапазонах L и S. Отдельного внимания заслуживает линейка GaN-транзисторов (табл. 7). Это самая передовая технология, освоенная для массового производства. Более широкополосная, чем LDMOS, и выигрывающая по КПД.

Относительно X‑диапазона довольно сложно сейчас что-то рекомендовать с уровнем мощности, превосходящим 0,5 Вт. Обычно этого оказывается мало, и инженерам приходится комбинировать несколько таких усилителей для получения требуемой мощности. Этот вопрос требует отдельного обсуждения, формат и рамки данной статьи, к сожалению, не позволяют углубиться в данную тему.

Затронем также немаловажные элементы построения ППМ — ферритовые изделия коммутации сигнала и защиты приемника. Антенный циркулятор позволяет перенаправлять пути прохождения сигналов: сигнал из тракта передатчика направляется строго в антенну, а сигнал из эфира строго попадает в тракт приемника. В отличие от антенного ключа он не имеет задержки на переключение и может оперировать сигналами большой мощности, что неподвластно полупроводниковым переключателям.

Вентиль по входу приемника выполняет важную функцию защиты выходного каскада передатчика, так как создает необходимое согласование для антенного выхода в режиме передачи, независимо от того, какой импеданс имеет МШУ и ограничитель перед ним (обычно тракт приемника отключается от питания в момент передачи и наоборот).

Рис. 8. Типы конструктивного исполнения вентилей, циркуляторов

К рассмотрению предлагается и продукция такого известного производителя, как TRAK Microwave Ltd. (Шотландия), имеющего возможность предоставить изделия, уникальные по основным параметрам — вносимые потери и прямая мощность, — даже из стандартной линейки компонентов. Возможности же получения необходимых параметров на заказ позволяют решать задачи повышенного уровня сложности. Из стандартной продукции следует отметить изделия, сведенные в таблицу 8. Это вентили исполнения Drop-In, параметры циркуляторов на те же частоты являются схожими. Кроме того, выпускается продукция в корпусах MICPuck (микрополосковые в защищенном корпусе), традиционные микрополосковые, коаксиальные и волноводные (рис. 8).

Помехоподавляющие фильтры

В настоящее время по мере миниатюризации, увеличения плотности монтажа, усиления взаимного влияния радиоэлементов, увеличения функциональных возможностей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) неминуемо возникает необходимость решения задачи подавления электромагнитных помех (ЭМП). Данная задача является одной из важнейших составляющих в обеспечении электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭА. Наряду с технологиями, позволяющими еще на стадии проектирования минимизировать влияние помех схемотехническими и конструктивными способами, применяются методы непосредственного подавления (фильтрация) паразитных сигналов с помощью помехоподавляющих фильтров нижних частот (ФНЧ). В структуре АФАР одним из устройств, наиболее подверженных влиянию ЭМП, является МШУ. Рассматриваемые далее варианты фильтров предназначены для применения в РЭА СВЧ и обеспечивают фильтрацию ЭМП на частотах до 18 ГГц.

Компоненты компании API Technologies/Spectrum Control серий SCI‑9900/9909/9945/9980, 54-863‑ХХХ и 54-831-ХХХ наиболее часто применяются для решения задач ЭМС РЭА СВЧ.

Рис. 9. Стандартное исполнение фильтров серии SCI 9900

Конструктивной особенностью серий SCI‑9900/9909/9945/9980 является их герметичность, что обеспечивает возможность их применения в высоконадежной РЭА военного, авиационного и морского назначения. Герметизация фильтров выполнена металлостеклянным спаем (Glass Sealed) с одной стороны и эпоксидным компаундом (Epoxy) с противоположной (рис. 9). Фильтры изготавливаются в стандартной и реверсивной версиях. В реверсивной версии герметизация металлостеклянным спаем реализована со стороны фланца. Способ монтажа фильтров — пайка непосредственно в конструкцию модуля. Основные характеристики серий SCI‑9900/9909/9945/9980 приведены в сводной таблице 9.

Серии SCI‑9900/9909/9980 относятся к категории миниатюрных фильтров и находят применение в СВЧ-модулях, в цепях управления, коммутации питания. Благодаря высокому значению максимального тока (15 А) серия SCI‑9945 в основном применяется в системах вторичного электропитания.

Рис. 10. Фильтры ЭМП:
а) серии SCI 9900;
б) серии SCI 9909;
в) серии SCI 9945;
г) SCI 9980

В некоторых случаях, как альтернатива вышеуказанным сериям, применяются ФНЧ ЭМП серий 54-863‑ХХХ и 54-831‑ХХХ. Фильтры серий 54-863‑ХХХ и 54-831‑ХХХ имеют металлический корпус с резьбой М3 и М4 соответственно, а значит, для монтажа можно использовать стандартный инструмент (с метрическим шагом). Герметизация фильтров выполнена эпоксидным компаундом, что ограничивает их применение в полностью герметичных модулях. Технические характеристики 54-863‑ХХХ и 54-831‑ХХХ представлены в таблице 10.

Заключение

В данной статье мы лишь частично затронули такую большую проблему, как построение радиолокационных систем на базе АФАР. Остались за рамками самые современные тенденции — переход на цифровую обработку каждого канала, использование многополяризационных и многолучевых антенн. Но в основном приемопередатчики строятся именно на тех принципах, которые были описаны.

Рис. 11. Фильтр серии 54-863 ХХХ

В заключение можно сказать, что современная элементная база позволяет реализовывать активные фазированные антенные решетки с уникальными техническими характеристиками при тенденции к уменьшению габаритных размеров комплектующих и снижению их совокупной стоимости. Будущее антенных, а особенно активных решеток видится очень перспективным в ближайшие годы, а дальнейшее развитие элементной базы позволит решить те проблемы, которые все еще сдерживают массовое использование таких систем.