Двухдиапазонный приемо-передающий усилительный модуль активной фазированной антенной решетки

Полезная модель относится к области радиолокационной техники, в частности к приемо-передающим усилительным модулям (ГТПУМ) для активных фазированных антенных решеток (АФАР). Технический результат заявляемой полезной модели направлен на создание двухдиапазонного ППУМ АФАР, управляемого по цифровой линии, обладающего высоким КПД, а также обеспечивающего изменение мощности принимаемых и передаваемых импульсных СВЧ-сигналов и изменение их фазы от 0 до 360° (с шагом 11°). Технический результат достигается тем, что двухдиапазонный приемопередающий усилительный модуль активной фазированной антенной решетки включает четыре приемо-передающих канала, каждый из которых организован с разбиением всего диапазона рабочих частот передачи на два поддиапазона. Кроме этого он дополнительно содержит цифровое устройство управления, соединенное со всеми приемо-передающими каналами, каждый из которых включает управляемый фазовращатель, выполненный пятиразрядным, первый Y-циркулятор, частотно-распределяющее устройство, первый и второй усилители, частотно-суммирующее устройство, систему контроля мощности, первый управляемый аттенюатор, систему антенна-эквивалент, второй Y-циркулятор, третий Y-циркулятор, согласованную нагрузку, устройство защиты, малошумящий усилитель, второй управляемый аттенюатор. При этом первый вход управляемого фазовращателя является первым входом-выходом приемо-передающего канала. Выход управляемого фазовращателя подключен к первому плечу первого Y-циркулятора, второе плечо которого подключено к входу частотно-распределяющего устройства. Первый и второй выходы частотно-распределяющего устройства подключены к первым входам первого и второго усилителей соответственно. Выходы первого и второго усилителей подключены соответственно к первому и второму входам частотно-суммирующего устройства. Выход частотно-суммирующего устройства подключен к входу системы контроля мощности, первый выход которой подключен к первому входу первого управляемого аттенюатора. Выход первого управляемого аттенюатора подключен к первому входу системы антенна-эквивалент, выход которой подключен к первому плечу второго Y-циркулятора. Второе плечо второго Y-циркулятора является вторым входом-выходом приемо-передающего канала, а третье плечо соединено с первым плечом третьего Y-циркулятора. Второе плечо третьего Y-циркулятора подключено к входу устройства защиты, а третье плечо соединено с согласованной нагрузкой. Выход устройства защиты подключен к входу малошумящего усилителя, выход которого подключен к первому входу второго управляемого аттенюатора. Выход второго управляемого аттенюатора подключен к третьему плечу первого Y-циркулятора. Вторые входы управляемого фазовращателя, первого и второго усилителей, первого и второго управляемых аттенюаторов, системы антенна-эквивалент, а также второй выход системы контроля мощности соединены с цифровым устройством управления.

Полезная модель относится к области радиолокационной техники, в частности к приемо-передающим усилительным модулям (ППУМ) для активных фазированных антенных решеток (АФАР).

Наиболее эффективно ППУМ АФАР могут быть использованы в бортовых авиационных радиолокационных станциях (РЛС), корабельных и наземных РЛС, а также в системах радиопротиводействия.

Известен приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки [Патент RU 2206155, МПК: H01Q 3/34, H01Q 21/00, опубликован в 2003 г.], содержащий один приемный канал и один передающий канал, и, работающий в одном диапазоне частот передачи. Данный модуль имеет невысокий коэффициент полезного действия (КПД), а также недостаточно эффективно устраняет шумы в режиме передачи.

Известен приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона [Патент RU 2454763, МПК: H01Q 21/00, опубликован в 2012 г.], содержащий один передающий канал и два приемных канала. Данный модуль имеет невысокий КПД, в режиме передачи работает в одном диапазоне частот, а также имеет сложную структуру передающего и приемных каналов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к заявляемому техническому решению является ППУМ для АФАР («Основные проблемы создания ППУМ для АФАР L-диапазона», ООО НИИ «Компонент», к.т.н. С.Н. Семенин, к.т.н. И.А. Соколов, И.В. Голиков, Н.В. Вареца, рис.3, internet: www.nii-k.ru/files/library/referat6.pdf), содержащий четыре приемо-передающих канала (ППК), каждый из которых организован с разбиением всего диапазона рабочих частот передачи на два поддиапазона. Кроме этого он содержит два контроллера (по одному на два ППК), выполняющих функцию распределения сигналов, поступающих с внешнего устройства управления. Каждый из четырех ППК содержит ячейку входного коммутатора, ячейку выходного коммутатора и ячейку приемного канала. Передающий тракт каждого ППК содержит по усилителю для каждого поддиапазона рабочих частот. Ячейка входного коммутатора содержит последовательно соединенные первый Y-циркулятор, первый управляемый аттенюатор и входной СВЧ-переключатель. Ячейка выходного коммутатора содержит последовательно соединенные выходной СВЧ-переключатель, второй Y-циркулятор и систему контроля мощности. Ячейка приемного канала содержит последовательно соединенные вентиль (Y-циркулятор с согласованной нагрузкой), устройство защиты, второй управляемый аттенюатор, малошумящий усилитель и третий управляемый аттенюатор. Вход приемной ячейки подключен ко второму Y-циркулятору, а ее выход - к первому Y-циркулятору. Входы обоих усилителей соединены с выходами входного СВЧ-переключателя, а их выходы - с входами выходного СВЧ-переключателя.

Данный ППУМ требует наличия в антенной системе дополнительного оборудования (в частности наличия блока управления лучом), осуществляющего изменение фазы сигнала, управление режимами работы, оценку исправности работы, хранение данных о фазовых набегах (фазовых ошибках) в приемо-передающих каналах.

Технический результат заявляемой полезной модели направлен на создание двухдиапазонного ППУМ АФАР, управляемого по цифровой линии, обладающего высоким КПД, а также обеспечивающего изменение мощности принимаемых и передаваемых импульсных СВЧ-сигналов и изменение их фазы от 0 до 360° (с шагом 11°).

Технический результат достигается тем, что двухдиапазонный приемопередающий усилительный модуль активной фазированной антенной решетки включает четыре приемо-передающих канала, каждый из которых организован с разбиением всего диапазона рабочих частот передачи на два поддиапазона. Кроме этого он дополнительно содержит цифровое устройство управления, соединенное со всеми приемо-передающими каналами, каждый из которых включает управляемый фазовращатель, выполненный пятиразрядным, первый Y-циркулятор, частотно-распределяющее устройство, первый и второй усилители, частотно-суммирующее устройство, систему контроля мощности, первый управляемый аттенюатор, систему антенна-эквивалент, второй Y-циркулятор, третий Y-циркулятор, согласованную нагрузку, устройство защиты, малошумящий усилитель, второй управляемый аттенюатор. При этом первый вход управляемого фазовращателя является первым входом-выходом приемо-передающего канала. Выход управляемого фазовращателя подключен к первому плечу первого Y-циркулятора, второе плечо которого подключено к входу частотно-распределяющего устройства. Первый и второй выходы частотно-распределяющего устройства подключены к первым входам первого и второго усилителей соответственно. Выходы первого и второго усилителей подключены соответственно к первому и второму входам частотно-суммирующего устройства. Выход частотно-суммирующего устройства подключен к входу системы контроля мощности, первый выход которой подключен к первому входу первого управляемого аттенюатора. Выход первого управляемого аттенюатора подключен к первому входу системы антенна-эквивалент, выход которой подключен к первому плечу второго Y-циркулятора. Второе плечо второго Y-циркулятора является вторым входом-выходом приемо-передающего канала, а третье плечо соединено с первым плечом третьего Y-циркулятора. Второе плечо третьего Y-циркулятора подключено к входу устройства защиты, а третье плечо соединено с согласованной нагрузкой. Выход устройства защиты подключен к входу малошумящего усилителя, выход которого подключен к первому входу второго управляемого аттенюатора. Выход второго управляемого аттенюатора подключен к третьему плечу первого Y-циркулятора. Вторые входы управляемого фазовращателя, первого и второго усилителей, первого и второго управляемых аттенюаторов, системы антенна-эквивалент, а также второй выход системы контроля мощности соединены с цифровым устройством управления.

Сущность заявляемой полезной модели состоит в том, что двухдиапазонный ППУМ АФАР включает четыре ППК, каждый из которых организован с разбиением всего диапазона рабочих частот передачи на два поддиапазона, для которых обеспечивается регулируемое изменение фазы и изменение мощности передаваемых и принимаемых импульсных СВЧ-сигналов. Двухдиапазонный ППУМ АФАР содержит цифровое устройство управления, подключенное к цифровой линии мультиплексного канала информационного обмена (МКИО), которое в соответствии с командами центрального вычислительного устройства (ЦВУ) обеспечивает переключение режимов работы ППУМ, а также управляет работой аттенюаторов и фазовращателей всех ППК. При этом изменение мощности передаваемых импульсных СВЧ-сигналов обеспечивается трехразрядным аттенюатором передающего тракта каждого ППК, а изменение мощности принимаемых импульсных СВЧ-сигналов пятиразрядным аттенюатором приемного тракта (с максимальной величиной ослабления 31 дБ). Изменение фазы передаваемых и принимаемых импульсных СВЧ-сигналов обеспечивается фазовращателем, установленным в каждом ППК, выполненным пятиразрядным с возможностью регулировки фазы от 0 до 360° (с шагом 11°). Для оценки исправности всех ППК цифровое устройство управления выполняет сбор данных и сохраняет корректирующие данные о фазовых набегах (фазовых ошибках) в ППК. Данные функциональные возможности заявляемого двухдиапазонного ППУМ АФАР позволяют исключить из антенной системы такое технически сложное устройство, как блок управления лучом, и существенно упростить кабельную сеть, что в свою очередь позволяет наращивать количество элементов в системе АФАР без существенных доработок (модернизации потребуют только распределительное устройство, источник питания и программное обеспечение).

На Фиг. 1 изображена структурная схема двухдиапазонного ППУМ АФАР, содержащего четыре приемо-передающих канала одинаковой структуры и цифровое устройство управления.

На Фиг. 2 изображена структурная схема приемо-передающего канала двухдиапазонного ППУМ АФАР.

Двухдиапазонный ППУМ АФАР содержит цифровое устройство управления (УУ) 1, соединенное с первым приемо-передающим каналом (ППК1) 2, вторым приемо-передающим каналом (ППК2) 3, третьим приемо-передающим каналом (ППК3) 4 и четвертым приемо-передающим каналом (ППК4) 5.

Каждый из четырех ППК состоит из управляемого фазовращателя (Ф) 6, первого Y-циркулятора (Ц1) 7, частотно-распределяющего устройства (ЧРУ) 8, первого (У1) 9 и второго (У2) 10 усилителей, частотно-суммирующего устройства (ЧСУ) 11, системы контроля мощности (СКМ) 12, первого управляемого аттенюатора (АТТ1) 13, системы антенна-эквивалент (САЭ) 14, второго Y-циркулятора (Ц2) 15, третьего Y-циркулятора (Ц3) 16, согласованной нагрузки (СН) 17, устройства защиты (УЗ) 18, малошумящего усилителя (МШУ) 19, второго управляемого аттенюатора (АТТ2) 20.

В каждом ППК первый вход 6 является его первым входом-выходом. Выход 6 подключен к первому плечу Ц1 7, второе плечо которого подключено к входу ЧРУ 8. Первый и второй выходы ЧРУ 8 подключены к первым входам У1 9 и У2 10 соответственно, а выходы У1 9 и У2 10 подключены соответственно к первому и второму входам ЧСУ 11. Выход ЧСУ 11 подключен к входу СКМ 12, первый выход которой подключен к первому входу АТТ1 13. Выход АТТ1 13 подключен к первому входу САЭ 14, выход которой подключен к первому плечу Ц2 15. Второе плечо Ц2 15 является вторым входом-выходом ППК, а третье плечо соединено с первым плечом ЦЗ 16. Второе плечо Ц3 16 подключено к входу УЗ 18, а третье плечо соединено с СН 17. Выход УЗ 18 подключен к входу МШУ 19, выход которого подключен к первому входу АТТ2 20. Выход АТТ2 20 соединен с третьим плечом Ц1 7. Вторые входы 6, У1 9, У2 10, АТТ1 13, САЭ 14, АТТ2 20 и второй выход СКМ 12 соединены с УУ 1.

Двухдиапазонный ГШУМ АФАР работает следующим образом.

В режиме «передача» импульсный СВЧ-сигнал с выхода распределительного устройства (РУ) антенной системы поступает на первый вход-выход каждого из четырех ППК. С целью экономии габаритных размеров РУ и упрощения кабельной сети антенной системы первый вход-выход ППК1 2 может быть объединен с первым входом-выходом ППК2 3, а первый вход-выход ППКЗ 4 - с первым входом-выходом ППК4 5. При этом деление сигнала может быть осуществлено, например, двумя мостами Ланге внутри блока. В каждом из четырех ППК входной сигнал поступает на первый вход 6. В зависимости от размещения ППУМ в антенной системе и требуемого угла отклонения луча УУ 1 включает необходимые разряды 6, дополнительно компенсируя фазовый сдвиг 90°, возникающий после деления сигнала. С 6 сигнал через Ц1 7 поступает на ЧРУ 8, с которого на У1 9 и У2 10 поступают сигналы соответствующих рабочих частот. Для выравнивания длительностей импульсов СВЧ-сигнала на выходе всех ППК на вторые входы У1 9 и У2 10 (на первый каскад усилителей) с УУ 1 поступает калиброванный сигнал импульсной модуляции. Объединение усиленных сигналов с выходов У1 9иУ2 10 с развязкой в 20 дБ обеспечивает ЧСУ 11. СКМ 12 передает на УУ 1 огибающую поступающего на нее усиленного сигнала для последующего анализа исправности работы усилителей мощности. Регулировка выходной мощности осуществляется АТТ1 13 по сигналу от УУ 1. Возможность проверки исправности модуля без излучения в пространство реализовано с помощью САЭ 14. Ц2 15 обеспечивает развязку передающего тракта с приемным, после чего СВЧ-сигнал с необходимым уровнем мощности и фазой со второго входа-выхода ППК поступает на излучатель антенной решетки.

В режиме «прием» импульсный СВЧ-сигнал с линейки излучателей антенны поступает на второй вход-выход каждого из четырех ППК и через Ц2 15, Ц3 16 и УЗ 18 попадает на МШУ 19. УЗ 18 отражательного типа ограничивает уровень мощности на входе приемного канала. Отраженная мощность через ЦЗ 16 рассеивается в СН 17 (ЦЗ 16 и СН 17 образуют вентиль ППК). По сигналам управления от УУ 1 АТТ2 20 приемного тракта формирует необходимое амплитудное распределение антенной решетки, а 6 обеспечивает требуемый фазовый сдвиг. После этого СВЧ-сигнал с первого входа-выхода ППК поступает на РУ антенной системы.

УУ 1 выполнено на ПЛИС и построено с возможностью цифрового обмена данными с ЦВУ по линии МКИО в соответствии с ГОСТ 52070-2003. СН 17 выполнена, например, в виде резистора, один вывод которого соединен с корпусом устройства. Также двухдиапазонный ППУМ АФАР может содержать стабилизатор напряжения. ЧРУ 8 и ЧСУ 11 выполнены на микрополосковых линиях передачи. У1 9 и У2 10 выполнены двухкаскадными. Для обеспечения максимального коэффициента усиления и возможности импульсной модуляции выходного сигнала в предварительных каскадах использованы транзисторы, выполненные по технологии LDMOS. Для нижнего диапазона частот ILD1011HV160M фирмы Integra Tech., а для верхнего - MRP6V14300H фирмы Freescale. Для обеспечения максимальной выходной мощности оконечные каскады выполнены на биполярных транзисторах IB 1011М1000 и IB 1191 для верхнего и нижнего диапазонов соответственно. Для верхнего диапазона каскад состоит из двух транзисторов, деление и суммирование мощности для которых осуществляется квадратурными мостами Ланге. Такое решение позволяет эффективно использовать сильные стороны биполярной технологии и технологии LDMOS, тем самым обеспечивая высокий уровень КПД и минимальные габариты.

Заявляемое техническое решение было опробовано и показало положительные результаты.

Характеристики заявленного двухдиапазонного ППУМ АФАР в сравнении с прототипом представлены в таблице:

Двухдиапазонный приемо-передающий усилительный модуль активной фазированной антенной решетки, включающий первый, второй, третий и четвертый приемо-передающие каналы, каждый из которых организован с разбиением всего диапазона рабочих частот передачи на два поддиапазона, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цифровое устройство управления, соединенное со всеми приемопередающими каналами, каждый из которых включает управляемый фазовращатель, выполненный пятиразрядным, первый Y-циркулятор, частотно-распределяющее устройство, первый и второй усилители, частотно-суммирующее устройство, систему контроля мощности, первый управляемый аттенюатор, систему антенна-эквивалент, второй Y-циркулятор, третий Y-циркулятор, согласованную нагрузку, устройство защиты, малошумящий усилитель, второй управляемый аттенюатор, при этом первый вход управляемого фазовращателя является первым входом-выходом приемо-передающего канала, а его выход подключен к первому плечу первого Y-циркулятора, второе плечо которого подключено к входу частотно-распределяющего устройства, первый и второй выходы частотно-распределяющего устройства подключены к первым входам первого и второго усилителей соответственно, а выходы первого и второго усилителей подключены соответственно к первому и второму входам частотно-суммирующего устройства, выход частотно-суммирующего устройства подключен к входу системы контроля мощности, первый выход которой подключен к первому входу первого управляемого аттенюатора, выход первого управляемого аттенюатора подключен к первому входу системы антенна-эквивалент, выход которой подключен к первому плечу второго Y-циркулятора, второе плечо второго Y-циркулятора является вторым входом-выходом приемо-передающего канала, а третье плечо соединено с первым плечом третьего Y-циркулятора, второе плечо третьего Y-циркулятора подключено к входу устройства защиты, а третье плечо соединено с согласованной нагрузкой, выход устройства защиты подключен к входу малошумящего усилителя, выход которого подключен к первому входу второго управляемого аттенюатора, выход второго управляемого аттенюатора подключен к третьему плечу первого Y-циркулятора, причем вторые входы управляемого фазовращателя, первого и второго усилителей, первого и второго управляемых аттенюаторов, системы антенна-эквивалент, а также второй выход системы контроля мощности соединены с цифровым устройством управления.