1.4. Активные приборы, используемые в модулях современных АФАР

С начала 70-х годов разработчики АФАР использовали в качестве усилителей АМ полупроводниковые приборы. Генераторы и усилители на диодах с отрицательным сопротивлением (диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды (ЛПД)) используют главным образом в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. Принцип действия таких устройств основан на компенсации активного сопротивления колебательной системы (с учетом сопротивления нагрузки) отрицательной активной составляющей полного сопротивления диода. При частичной компенсации потерь происходит регенеративное усиление внешних колебаний. Такие усилители не обладают однонаправленными свойствами и требуют использования невзаимных элементов.

Усилители СВЧ на транзисторах (полевых и биполярных) применяют в дециметровом и сантиметровом диапазонах при выходных мощностях от сотен долей до единиц ватта в длинноволновой части сантиметрового диапазона. Они обладают относительной широкополосностью - до 10-15%, коэффициент усиления составляет 15-25 в длинноволновой части дециметрового диапазона и 2-3 в коротковолновой его части, а также в сантиметровом диапазоне. КПД транзисторных усилителей составляет 15-25%, что намного больше КПД усилителей мощности на других полупроводниковых приборах.

Достоинствами генераторов на диодах Ганна для применения в модулях АФАР являются: линейная фазочастотная характеристика, низкая спектральная плотность мощности шума, широкая полоса механической и электронной перестройки, низковольтное питание и простота конструкции. Однако малая выходная мощность в непрерывном режиме, низкий КПД низкая температурная стабильность, ограничивает их практическое использование. Мощность генераторов на ЛПД выше, чем у генераторов на диодах Ганна при сравнительно больших значениях КПД (10-30%) и надежности. Однако при их освоении возникают намного большие трудности, чем при освоении других известных твердотельных приборов СВЧ, в частности, из-за высоких уровней фазовых шумов, проблем теплоотвода и надежности при повышении частоты колебаний. В настоящее время на частотах выше 6 ГГц ЛПД обеспечивают максимальную номинальную мощность колебаний.

Полевые транзисторы по сравнению с ЛПД позволяют более гибко проводить управление их характеристиками, благодаря наличию трех электродов, имеют КПД ~ 30% и являются в большей степени линейными устройствами с большим динамическим диапазоном. Мощные биполярные транзисторы в выходных каскадах работают в режиме класса С, на частотах до 6 ГГц они имеют относительно высокие среднюю и импульсную мощности, а главная их особенность - возможность работы в импульсном режиме с импульсами большой длительности и КПД порядка 40%.

Тепловой режим является важнейшей характеристикой системы. В твердотельных АФАР лишь 10-15% подводимой мощности излучается антенной, остальная - трансформируется в тепло и приводит к перегреву элементов схемы. Температурный режим существенно влияет на величину отдаваемой максимальной высокочастотной мощности и предельную частоту активных приборов. При значительном нагреве разброс температур между и фазовращателями увеличивается, из-за чего появляются дополнительные случайные ошибки в амплитудном и фазовом распределениях по раскрыву антенны. В результате снижается КНД решетки и, как следствие, ухудшается полный КПД АФАР. Кроме того, повышение температуры приводит к снижению срока службы и к ухудшению надежности и экономических показателей АФАР. Для облегчения температурного режима в конструкции мощных АФАР предусматриваются специальные системы охлаждения, несмотря на то, что это приводит к увеличению их массы и габаритных размеров. Из известных методов наиболее приемлемыми являются: естественное и принудительное воздушное охлаждение; теплоотдача испарением.

Естественное воздушное охлаждение АМ АФАР осуществляется за счет теплопроводности, естественной конвекции окружающего воздуха и излучения. Данный метод эффективен и экономически целесообразен при относительно небольшой рассеиваемой мощности. Для увеличения теплопроводящей поверхности на корпусе могут быть предусмотрены дополнительные ребра. Ориентировочное значение коэффициента теплоотдачи невелико: град. Метод может быть рекомендован для наземных установок, когда не предъявляются жесткие требования по массе и габаритным размерам.

Принудительное воздушное охлаждение АМ АФАР намного эффективнее естественного. Теплоотдача в этом случае осуществляется принудительной воздушной конвекцией и излучением. Коэффициент теплоотдачи определяется аэродинамическими условиям» обтекания и формой ребер радиаторов, а также зависит от скорости движения теплоносителя (воздуха) и его плотности. По способу подачи воздуха системы принудительного воздушного охлаждения делятся на приточные,

вытяжные и приточно-вытяжные. Последняя для АФАР оказывается наиболее эффективной. Ориентировочное значение коэффициента теплоотдачи в 5-10 раз больше, чем при естественной системе охлаждения, а именно: а При принудительном воздушном охлаждении рекомендуется выбирать скорость набегающего воздушного потока до

С ростом удельных мощностей тепловыделения может оказаться, что габаритные размеры и масса системы охлаждения станут неприемлемо большими и даже при этом не смогут обеспечить требуемые рабочие температуры. Это означает, что необходимо переходить к более эффективным, но и более сложным и дорогим системам охлаждения. Такой системой охлаждения, в частности, являются тепловые трубы. Тепловая труба представляет собой тонкостенную (примерно 2 мм) металлическую (стальную, никелевую) трубку длиной от до и диаметром Внутренние стенки трубы покрыты пористым фитилем (металлическим или текстильным), способным насыщаться рабочей жидкостью (водой, метиловым спиртом, ацетоном и т.д.) и обладающим капиллярным эффектом. При нагреве одного конца трубы рабочая жидкость начинает испаряться. Пар по внутреннему каналу перемещается к холодному концу трубы - конденсаторной секции. Здесь происходит конденсация пара, который отдает свое тепло стенке холодного конца трубы, а затем это тепло рассеивается за счет естественной или принудительной конвекции воздухом, газом или жидкостью. Теплоотдача испарением в сотни раз превосходит теплоотдачу конвекцией.

Основными параметрами, характеризующими тепловую трубу, являются: коэффициент теплоотдачи в зоне конденсации (ориентировочно ) и тепловое сопротивление, которое равно отношению разности температур стенок корпуса в зоне испарения и в зоне конденсации к величине переносимого теплового потока

Указанные выше системы охлаждения в АФАР не исчерпывают всех возможных вариантов. В ряде конкретных случаев могут быть использованы и другие способы, такие, например, как жидкостное принудительное охлаждение или отвод тепла, основанный на использовании скрытой теплоты плавления вещества. Такие системы применяются, как правило, в уникальных АФАР стационарных и широкого распространения не получили. Стоимость таких систем охлаждения сравнима со стоимостью остальной аппаратуры АФАР.

Фазовращатель является важной составной частью ППМ. Однако никаких особых требований к фазовращателю при использовании его в АФАР не предъявляется, поэтому применяются такие же фазовращатели,

как и в обычных ФАР, работающие на низком уровне мощности. В первых образцах АФАР, созданных в начале 60-х годов, применялись как ферритовые, так и полупроводниковые фазовращатели. Однако в дальнейшем трудности, возникающие в процессе эксплуатации ферритовых фазовращателей, а также прогресс в технологии полупроводниковых фазовращателей привели к тому, что в большинстве современных используются дискретно - коммутационные полупроводниковые фазовращатели. По принципу действия они могут быть разделены на три основные группы: с переключаемыми отрезками линий, отражательные с устройствами разделения падающей и отраженной волн и типа периодически нагруженной линии [2]

Наиболее простыми по принципу действия являются фазовращатели на переключаемых отрезках линий - разница в электрической длине отрезков линий соответствует фазовому сдвигу . К преимуществам фазовращателей этой группы относятся практически одинаковые потери при обоих значениях фазовой задержки и удобство схемы для микрополоскового исполнения, а к недостаткам - относительно большое число диодов (до четырех на один дискрет фазовращателя).

Широкое применение получили отражательные фазовращатели. В качестве устройства для разделения падающей и отраженной волны используются как взаимные многополюсники (направленные ответвители, мосты), так и невзаимные (чаще всего циркуляры). Энергия, отраженная от диодов, попадает в выходное плечо многополюсника. Фазовый сдвиг (дискрет фазы) на выходе фазовращателей этой группы образуется за счет изменения фазы коэффициента отражения при переключении диодов к соответствующим отрезкам линий, присоединенных к разделительному узлу где коэффициент отражения соответствующего отрезка линии. Достоинствами фазовращателей этой группы является наименьшее число используемых диодов (до одного на дискрет) при любом фазовом сдвиге.

Принцип действия фазовращателей третьей группы заключается в увеличении электрической длины линии при включении шунтирующей емкости и уменьшении ее при включении индуктивности.