1.3. Приемопередающий модуль АФАР

Современный приемопередающий модуль (ППМ) выполняет следующие функции:

формирует заданный уровень СВЧ-мощности в излучателе АФАР; принимает СВЧ-сигналы с требуемой чувствительностью и защитой малошумящего усилителя (МШУ) приемного канала;

управляет раздельно амплитудой и фазой излучаемых и принимаемых СВЧ-сигналов с обеспечением требуемой глубины регулировки, точности установки и стабильности во времени, в заданном частотном и динамическом диапазонах;

переключает поляризации излучаемых и принимаемых СВЧ-сигналов;

управляет переключателями прием-передача;

компенсирует температурную зависимость коэффициентов передачи ППМ в режимах передачи и приема;

принимает и хранит кодовые команды цифрового вычислителя; выдает коды состояния основных параметров и общего сигнала исправности для контроля.

Обобщенная структурная схема ППМ приведена на рис. 1.3 [3,5]. Использование в передающем и приемном каналах одного общего фазовращателя и общей распределительной системы требуют установки двух высокочастотных переключателей «прием-передача» (ППП) в каждом модуле. Импульсный модулятор каждого управляется с выхода распределительной системы (PC) формирующего устройства (под-модулятора), задающего период повторения импульсов и их длительность. Параметры активных модулей АФАР зависят от требований, предъявляемым к РЭК, в которой АФАР является антенной системой, а также длины волны ширины и излучаемой мощности

Рассмотрим некоторые параметры ППМ.

Выходная мощность модуля определяется излучаемой мощностью АФАР, плотностью размещения излучателей и размером решетки. В свою очередь, размер решетки зависит от ширины ее и может быть определен как Шаг решетки равен примерно Такой шаг обеспечивает сканирование луча в максимальном секторе без возникновения побочных или дифракционных максимумов. Следовательно, максимальное число излучателей, например, квадратной решетки или, с учетом связи между При этом мощность излучения одного элемента решетки (одного АМ) будет минимальной:

Рис. 1.3. (см. скан) Схема ППМ

Если сектор сканирования луча , то шаг решетки может быть увеличен до значения число излучателей в квадратной решетке

И при неизменных требованиях к излучаемой мощности АФАР каждый АМ излучает

Основными усилительными приборами в современных АФАР являются транзисторы и лавинно-пролетные диоды (ЛПД). Их известные типовые энергетические характеристики показаны на рис. 1.4 и 1.5.

Коэффициент усиления определяется отношением выходной мощности к мощности возбуждения. Его повышение позволяет уменьшить мощность возбуждения и, следовательно, уменьшить потери в фазовращателях и распределительной системе, на которые приходится основная часть высокочастотных потерь. Поэтому для решеток с узкими следует использовать с большим коэффициентом усиления, так как он должен, как минимум, обеспечивать полную компенсацию потерь в системе возбуждения. где общий КПД распределительной системы с учетом потерь в фазовращателях и согласующих элементах на входах Максимальное значение К ограничивается запасом устойчивости усилителя, и кроме того, возможностью увеличения фазовой нестабильности вследствие роста крутизны фазовой характеристики усилителя.

Рис. 1.4. Зависимость генерируемой мощности транзисторов от частоты

Рис. 1.5. Зависимость КПД транзисторов от частоты

Коэффициент полезного действия, определяющий КПД АФАР, в значительной степени зависит от КПД усилителя, определяющего тепловой режим в решетке. Низкий КПД приводит к тяжелым тепловым режимам и ограничивает максимальную мощность излучения. Достижимые в настоящее время значения КПД для полупроводниковых приборов на различных частотах приведены на рис. 1.5, из которого видно, что КПД активных приборов падает с ростом частоты и на частотах выше может уменьшиться до Вместе с тем, средняя плотность потока высокочастотной мощности через излучающую поверхность решетки при шаге, близком к равна

и возрастает при заданной мощности пропорционально квадрату частоты. Плотность теплового потока через конструкции решетки, в силу уменьшения КПД с увеличением частоты возрастает еще быстрее, что приводит к установлению тяжелых или даже неприемлемых тепловых режимов Применение эффективных способов принудительного охлаждения в той или иной степени обесценивает одно

из преимуществ полупроводниковой АФАР - ее компактность.

Нагрузочная характеристика зависимость выходной мощности и фазы выходных колебаний усилителя от полного входного сопротивления излучателя является одной из наиболее важных характеристик усилителя при использовании его в модулях решеток с большими углами сканирования. В таких решетках полное входное сопротивление излучателя при сканировании значительно изменяется из-за взаимодействия излучателей, причем законы изменения оказываются различными для центральных и периферийных излучателей. Вследствие изменения происходит изменение активной составляющей сопротивления нагрузки выходного каскада усилителя, что приводит к изменению выходной мощности и увеличению потерь в усилителе.

Реактивная составляющая сопротивления нагрузки определяет расстройку выходной СВЧ-цепи усилителя относительно частоты возбуждения и соответствующее изменение фазы выходных колебаний. Таким образом, изменение входного сопротивления излучателя при сканировании приводит к появлению дополнительных амплитудных и фазовых ошибок на выходе в результате, влечет за собой уменьшение КНД и общего КПД решетки Максимальный угол сканирования при этом может быть ограничен допустимым снижением КНД решетки. Одним из способов уменьшения влияния входного сопротивления излучателя на параметры передающей АФАР является использование невзаимных элементов (например, ферритовых вентилей и циркуляров), включенных между усилителем и излучателем или выбором схемы построения исключающей или ослабляющей влияние изменяющейся нагрузки.

Габаритные размеры АМ АФАР определяются возможностью размещения их в антенной решетке. Для исключения побочных максимумов излучения при сканировании шаг решетки не должен значительно превышать , поэтому при разработке для особенно для сантиметрового диапазона, необходима их миниатюризация. Эта задача решается при гибридно-интегральном или интегральном твердотельном исполнении но малые размеры активных полупроводниковых приборов и ограниченное значение их КПД приводят к большому локальному тепловыделению и необходимости применения эффективных устройств охлаждения, имеющих габариты, ограничивающие возможности миниатюризации.

Пределы миниатюризации электромагнитных систем в интегрально-пленочном исполнении также ограничены. Основным элементом СВЧ-цепи является микрополосковая несимметричная линия передачи, а усилители содержат отрезки линий, длина которых соизмерима с полуволной. Для уменьшения длины волны в линии и ее поперечных размеров используются тонкие (единицы и десятые доли миллиметра) диэлектрические подложки с большой относительной диэлектрической проницаемостью что позволяет уменьшить длину волны в линии примерно в 2,5 раза а поперечный размер проводящей полоски до - десятых долей миллиметра.

Однако столь малые поперечные размеры приводят к увеличению потерь в проводниках, а в диэлектриках с большой диэлектрической проницаемостью возникают повышенные потери. В результате добротность микрополосковых колебательных систем уменьшается в среднем в 5-10 раз по сравнению с волноводными коаксиальными колебательными системами, что приводит к снижению

КПД СВЧ-цепей АМ. В дециметровом диапазоне можно использовать колебательные системы на сосредоточенных индуктивностях в пленочном исполнении и сосредоточенных емкостях, как навесных, так и пленочных, что позволяет дополнительно уменьшить размер СВЧ-цепи по сравнению с длиной волны, но приводит к еще большему увеличению потерь.