1.5. Состояние и перспективы развития ППМ

1.5.1. Элементная база

В области создания элементов и систем с АФАР последнее десятилетие характеризовало собой переход от проработки различных вариантов их построения к созданию промышленных образцов, как элементной базы, так и систем в целом. Остались позади попытки разработать монолетные схемы для ФАР из-за слишком высокой их стоимости. Развитие электроники привело к созданию унифицированных микросхем

широкого применения: фазовращателей, аттенюаторов, переключателей - элементов, отличающихся высокими техническими характеристиками, малыми габаритами, универсальностью. На их базе возможно создание экономичных и приемлемых по цене ППМ. Этот процесс постоянно развивается в сторону более высоких частот и в ближайшее десятилетие охватит весь диапазон до 10 ГГц, что даст возможность создавать системы АФАР все более экономически выгодные и отвечающие сегодняшним техническим требованиям [11].

Можно выделить ряд функциональных узлов, которые входят в подавляющее большинство ППМ АФАР, независимо от частотного диапазона и назначения решеток:

Малошумящие усилители (МШУ). Усилители выполнены на специально разработанной микросхеме, коэффициент передачи которой составляет 25-30 дБ. Современные транзисторы имеют коэффициент усиления 10-12 дБ, поэтому для подавляющего большинства применений достаточно использования трехкаскадного усилителя. Из зарубежных малошумящих транзисторов очень привлекательным является транзистор типа фирмы имеющий на частоте 10 ГГц и 0,7 дБ на частоте 18 ГГц. Транзистор в корпусе имеет входное сопротивление около 50 Ом в широком диапазоне частот и поэтому прост в согласовании.

Рис. 1.6. Микросхема фазовращателя

Отечественные бескорпусные транзисторы обеспечивают на частоте Чтобы иметь малые разбросы коэффициента передачи и фазовых характеристик приемного тракта, целесообразно в микросхему малошумящего усилителя поместить аттенюатор, обеспечивающий регулировку коэффициента передачи в пределах 4-5 дБ и фазовращатель с регулировкой фазы 35—40°. Необходимые подстройки осуществляются напряжением при настройке модулей. Фазовращатель. Микросхема фазовращателя показана на рис 1.6. Как правило, достаточно использование пятиступенчатых фазовращателей с минимальным дискретом 11,25°, и погрешностью 1/2 младшего разряда. Создание шестиступенчатого фазовращателя не представляет каких-либо технических трудностей, но обеспечить погрешность ступени порядка 3° в частотном и температурном диапазонах аналоговыми способами практически невозможно. Решается подобная задача на современном этапе с помощью микропроцессорной

техники для всего модуля в целом. В фазовращателях, как правило, используются диоды типа обеспечивающие минимальные потери и хорошее согласование. Управление ступенями фазовращателей осуществляется с помощью драйверов, что дает возможность использовать в цепях управления стандартные сигналы. Аттенюатор. Микросхема аттенюатора представлена на рис. 1.7. Достаточно пяти ступеней аттенюатора с минимальным дискретом и общим затуханием около Построение микросхемы, и используемые в ней диоды, аналогичны микросхеме фазо-вращателя. Разделители каналов прием-передача. Разделение и объединение каналов приема и передачи может осуществляться с помощью циркуляторов или переключателей. Если три-четыре года назад стоимость переключателей была в 4...5 раз меньше (3-4 долл. США, что при числе в тысячи штук давало ощутимую экономию), то к настоящему времени цены переключателей и циркуляторов практически выровнялись, поэтому становится целесообразным использование и К-циркуляторов, не требующих драйверов и имеющих более высокую надежность.

Рис. 1.7. Микросхема аттенюатора

Рис. 1.8. Микросхема предусилителя

Микросхема предусилителя мощности. Типичная микросхема предусилителя приведена на рис. 1.8. Коэффициент усиления микросхемы должен составлять 25-30 дБ. Это обеспечивается, как правило, четырехкаскадным усилителем. В передающем канале, так же как в приемном, необходимо иметь каскады, обеспечивающие подстройку фазы и амплитуды сигналов. По схемотехническому и конструктивному исполнению они не отличаются от рассмотренных выше. Выходная мощность микросхемы порядка 200 мВт в импульсе. При этом еще не требуют решения вопросы теплоотвода, и сравнительно просто решается задача импульсной модуляции

каскадов. Модуляция по стоку всех транзисторов передающего канала гарантирует защиту приемника от шумов передатчика. Усилители мощности. Как всегда для оконечных каскадов одним из важнейших является вопрос о величине выходной мощности. Для модулей антенных решеток, с усилением в каждом модуле, он прямо связан с максимально возможным сечением модуля и необходимой системой охлаждения. В диапазоне 3 ГГц максимальный размер поперечного сечения ~ 50x25 мм. Это позволяет применять в оконечных каскадах транзисторы с выходной мощностью до 100 Вт при жидкостном охлаждении и использованием модуляции по стоку с соответствующими схемами модуляции и накопительными емкостями. Более того, такие размеры дают возможность использовать в выходных каскадах миниатюрные ЛБВ или клистроны, обладающие в два и более раз повышенным КПД по сравнению с транзисторами. В диапазоне 6 ГГц реально достижимые мощности даже на таких уникальных транзисторах как фирмы Texas Instruments лежат в пределах 12 - 15 Вт в импульсе. В диапазоне 10 ГГц уровень мощности, определяемый не рекордными результатами, а готовой к выпуску аппаратурой достигает 10 Вт в импульсе. Основная сложность в практическом достижении этих результатов лежит в области решения конструктивно-технологических проблем.

Цифровая плата управления, контроля и стабилизации параметров. Появление экономичных, дешевых и малогабаритных процессоров позволило по-новому решать весь комплекс вопросов, перечисленных в названии раздела. В настоящее время не имеет смысла ориентироваться на выполнение жестких требований к частотной и температурной стабильности параметров аналоговыми методами. Целесообразно все корректирующие коэффициенты иметь в памяти процессора и с их помощью управлять аттенюаторами и фазовращателями, имеющимися в устройстве. Это позволяет получать недостижимую аналоговыми способами стабильность параметров и, одновременно, существенно расширяет возможности управления ими.

На рис. 1.9 показана типичная цифровая плата модуля, позволяющая осуществлять следующие функции:

Рис. 1.9. Цифровая плата модуля

корректировать АЧХ приемного и передающего каналов в 10-ти частотных точках для полосы пропускания;

корректировать температурные характеристики коэффициента передачи и фазы сигнала в каналах по четырем измеренным точкам температурного диапазона, используя линейно-кусочную аппроксимацию;

использовать данные предыдущего такта временной диаграммы для проверки режима работы модуля;

вносить в последующий такт тактические параметры работы модуля. Используемая микросхема процессора типа имеет быстродействие 8x10 (ехр 6) операций/с, объем программной памяти оперативной памяти - 160 байт и энергозависимой памяти байт.

Рис. 1.10. Приемопередающий модуль типа сантиметрового диапазона