Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки радиолокационной станции

Полезная модель относится к радиолокации, в частности к приемопередающим модулям (ППМ) L-диапазона, предназначенным для работы в составе активной фазированной антенной решетки (АФАР) радиолокационной станции. Техническим результатом полезной модели является улучшение технико-экономических характеристик, а именно снижение массы модуля, снижение трудоемкости и стоимости изготовления модуля, упрощение конструкции, а также увеличение надежности приемопередающей системы в целом. Указанный технический результат достигается тем, что в известный многоканальный модуль, состоящий из приемопередающих каналов, узла управления и съемного блока вторичного электропитания, вводится планарное размещение в корпусе двух одинаковых многослойных печатных плат, конструктивно объединяющих в себе по четыре приемопередающих канала, включая управляемые 6-разрядный фазовращатель и 5-разрядный аттенюатор, которые являются общими для приемной и передающей частей приемопередающих каналов, два делителя 1:4 зондирующего импульса и контрольного сигнала приемной части, сумматор 4:1 приемных сигналов, функционально совмещенный с ним сумматор контрольного сигнала передающей части и узел управления, которые также являются общими для четырех приемопередающих каналов, что приводит к существенному снижению трудоемкости за счет изготовления сразу 4-х приемопередающих каналов за один технологический цикл и значительного уменьшения проводного монтажа внутри модуля. Повышение надежности, снижение массы и стоимости приемопередающего модуля достигается за счет уменьшения числа элементов схемы, являющихся общими для приемной и передающей части приемопередающего канала, и элементов, общих для 4-х приемопередающих каналов. На поверхность многослойной печатной платы установлены экранные перегородки для взаимной экранировки каналов. Блок вторичного электропитания устанавливается в герметичном отсеке на обратной стороне приемопередающего модуля. В этом же отсеке, с внутренней стороны крышки, расположена плата, включающая делитель 1:2 зондирующего импульса, делитель 1:2 контрольного сигнала приемной части и сумматор 2:1 приемных сигналов и контрольного сигнала передающей части, при этом крышка ППМ является радиатором для тепловыделяющих элементов блока вторичного электропитания, а основание модуля является радиатором для выходных усилителей передающей части.

Полезная модель относится к радиолокации, в частности к приемопередающим модулям (ППМ) L-диапазона, предназначенным для работы в составе активной фазированной антенной решетки (АФАР) радиолокационной станции.

Приемопередающий модуль - наиболее массовый узел АФАР и наиболее сложный для разработки в связи с необходимостью размещения в одном объеме всей микроэлектроники приемного и передающего каналов с источником питания, управлением ППМ, с обеспечением при этом отвода тепла. Габаритные размеры ППМ определяются возможностью размещения их на антенной решетке. Максимальные значения поперечных размеров ППМ должны быть меньше длины волны излучения, чтобы обеспечить приемлемый рабочий угловой сектор радиолокационной станции, а продольные размеры ограничиваются условием минимизации потерь в СВЧ-соединительных микрополосковых линиях между отдельными электронными микроузлами. С целью снижения массогабаритных параметров и упрощения конструкции наиболее рационально проектирование АФАР на основе многоканальных приемопередающих модулей [1, 2, 3].

Известен ППМ АФАР [4], содержащий переключатель прием/передача на 2 положения с подключенным к нему коммутатором. Передающий канал включает управляемый и дополнительный n-разрядные ступенчатые фазовращатели, подключенные к одной схеме управления, два согласующих усилителя, предварительный и выходной усилители мощности. Приемный канал включает управляемый и дополнительный n-разрядные ступенчатые фазовращатели, два согласующих усилителя, управляемый и дополнительный n-разрядные ступенчатые аттенюаторы, делитель мощности СВЧ сигнала, малошумящий усилитель, защитное устройство. Фазовращатели и аттенюаторы подключены к одной схеме управления. Ко второму выходу делителя мощности подключен второй приемный канал.

Недостатками данного устройства являются: включение в состав каждого канала ППМ дополнительного приемного канала, что значительно повышает стоимость АФАР; разделение выхода передающего канала от входа приемного канала, что требует использование второго излучателя; наличие дополнительных управляемых фазовращателей и аттенюаторов, что приводит к высокой сложности схемы управления ППМ.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по схемотехническому и конструктивному решению является, принятый за прототип, модуль АФАР [5], включающий четыре независимых приемопередающих канала, в которых все СВЧ-узлы, платы переключения прием-передача, а также индивидуальные узлы управления, питания и защиты размещены попарно на двух пластинах-основаниях, установленных симметрично сверху и снизу в корпус модуля, образуя конструкцию с зеркальной симметрией относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось модуля. Общий для четырех приемопередающих каналов блок управления, включающий сборки накопительных конденсаторов, а также узлы стабилизации напряжения питания, узлы контроля и защиты размещены в средней части модуля и имеют несимметричную конструкцию. В корпусе модуля предусмотрены относительно массивные продольные основания, которые несут в себе канал жидкостного охлаждения.

Недостатками прототипа являются сложность конструкции, значительное число проводного монтажа, увеличивающие трудоемкость изготовления и повышающие вероятность осуществления ошибки электрического соединения, связанной с человеческим фактором, а также использование сложно реализуемой системы жидкостного охлаждения.

Техническим результатом полезной модели является улучшение технико-экономических характеристик, а именно снижение массы модуля, снижение трудоемкости и стоимости изготовления модуля, упрощение конструкции, а также увеличение надежности приемопередающей системы в целом.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный многоканальный модуль, состоящий из приемопередающих каналов, узла управления и съемного блока вторичного электропитания, вводится планарное размещение в корпусе двух одинаковых многослойных печатных плат, конструктивно объединяющих в себе по четыре приемопередающих канала, включая управляемые 6-разрядный фазовращатель и 5-разрядный аттенюатор, которые являются общими для приемной и передающей частей приемопередающих каналов, два делителя 1:4 зондирующего импульса и контрольного сигнала приемной части, сумматор 4:1 приемных сигналов, функционально совмещенный с сумматором контрольного сигнала передающей части и узел управления, который является общим для четырех приемопередающих каналов, что приводит к существенному снижению трудоемкости за счет изготовления сразу 4-х приемопередающих каналов за один технологический цикл и значительного уменьшения проводного монтажа внутри модуля. Повышение надежности, снижение массы и стоимости приемопередающего модуля достигается за счет уменьшения числа элементов схемы, являющихся общими для приемной и передающей части приемопередающего канала, и элементов, общих для 4-х приемопередающих каналов. На поверхность многослойной печатной платы установлены экранные перегородки для взаимной экранировки каналов. Блок вторичного электропитания устанавливается в герметичном отсеке на обратной стороне приемопередающего модуля. В этом же отсеке, с внутренней стороны крышки, расположена плата, включающая делитель 1:2 зондирующего импульса, делитель 1:2 контрольного сигнала приемной части и сумматор 2:1 приемных сигналов и контрольного сигнала передающей части, при этом крышка ППМ является радиатором для тепловыделяющих элементов блока вторичного электропитания, а основание модуля является радиатором для выходных усилителей передающей части.

Для пояснения предлагаемой полезной модели на фиг. 1 изображена многослойная печатная плата, объединяющая 4 приемопередающих канала, где приняты следующие обозначения:

1 - приемная часть приемопередающих каналов;

2 - передающая часть приемопередающих каналов;

3 - делитель 1:4 зондирующего импульса, делитель 1:4 контрольного сигнала приемной части, сумматор 4:1 приемных сигналов, функционально совмещенный с сумматором контрольного сигнала передающей части;

4 - узел управления;

5 - технологические разъемы.

На фиг. 2 изображен приемопередающий канал 8-ми канального ППМ, где приняты обозначения:

6 - направленный ответвитель приемной части;

7 - устройство защиты;

8 - полосно-пропускающий фильтр;

9 - малошумящий широкополосный усилитель;

10 - управляемый 6-разрядный фазовращатель;

11 - управляемый 5-разрядный аттенюатор;

12 - ферритовые развязывающие устройства;

13 - выходной усилитель;

14 - 2-х каскадный предварительный усилитель;

15 - направленный ответвитель передающей части;

16 - ключи;

17 - управляемый антенный коммутатор.

На фиг. 3 изображена конструкция 8-ми канального ППМ, где приняты обозначения:

18 - корпус модуля;

19 - экранные перегородки;

20 - основание ППМ;

21 - съемный блок вторичного электропитания;

22 - крышка ППМ;

23 - тепловыделяющие элементы съемного блока вторичного электропитания;

24 - плата, включающая делитель 1:2 зондирующего импульса, делитель 1:2 контрольного сигнала приемной части и сумматор 2:1 приемных сигналов и контрольного сигнала передающей части.

Многослойная печатная плата, изображенная на фигуре 1, конструктивно объединяет в себе четыре приемопередающих канала с поочередным чередованием приемных (1) и передающих (2) частей, соединенные с делителем 1:4 зондирующего импульса, делителем 1:4 контрольного сигнала приемной части, сумматором 4:1 приемных сигналов, функционально совмещенным с сумматором контрольного сигнала передающей части (3), и узлом управления (4), который является общим для четырех приемопередающих каналов. При этом верхний слой многослойной печатной платы, на котором реализованы приемопередающие каналы с вышеперечисленными делителями и сумматорами, представляет собой СВЧ-материал из органического фольгированного диэлектрика, а последующие слои, в которых разведены сигналы управления, выполнены из материала на основе стеклотекстолита. Наличие на плате технологических разъемов (5) позволяет проводить поэтапную настройку каналов вне корпуса модуля.

На фигуре 2 изображен приемопередающий канал, который включает в себя: направленный ответвитель приемной части (6); устройство защиты (7), предназначенное для ограничения принимаемых сигналов по амплитуде; полосно-пропускающий фильтр (8), служащий для фильтрации внеполосных принимаемых сигналов; малошумящий широкополосный усилитель (9), предназначенный для усиления сигналов принятых с излучателей антенной системы; управляемый 6-разрядный фазовращатель (10), предназначенный для управления фазой принятых и излучаемых сигналов и формирования диаграммы направленности на прием/передачу антенной решетки; управляемый 5-разрядный аттенюатор (11), предназначенный для управления амплитудой принятых и излучаемых сигналов, приемопередающей диаграммой антенной решетки и весового распределения на полотне антенной решетки; ферритовые развязывающие устройства (12); выходной усилитель (13), необходимый для оконечного усиления излучаемого высокочастотного сигнала, на входе которого установлен 2-х каскадный предварительный усилитель (14); направленный ответвитель передающей части (15). При этом управляемые фазовращатель (10) и аттенюатор (11) являются общими для приемной (1) и передающей (2) частей приемопередающего канала, для реализации совместной работы которых на прием и передачу на их входе и выходе установлены ключи (16), переключающие режим прием/передача; управляемый антенный коммутатор (17).

Использование общих для приемной (1) и передающей (2) частей и общих для 4-х приемопередающих каналов элементов повышает надежность модуля, снижает массу и стоимость.

Восьмиканальный ППМ, конструкция которого изображена на фигуре 3, включает в себя две одинаковые 4-х канальные платы, установленные на основании герметичного корпуса модуля (18) с помощью механического крепления. Планарное размещение всех восьми приемопередающих каналов и замена проводного монтажа на печатный монтаж, обеспечивают удобство сборки и настройки модуля, и позволяют исключить ошибки электрического монтажа, связанные с человеческим фактором.

Каждая приемная и передающая часть приемопередающих каналов, область с фазовращателями и аттенюаторами, область с делителями и сумматором, а также узел управления разделены экранными перегородками (19), которые также являются элементами крепления платы к корпусу модуля и устанавливаются на корпусные площадки печатной платы при помощи винтов. Полная однотипность каналов и взаимная экранировка позволяют обеспечить идентичность электродинамических характеристик всех 8-ми приемопередающих каналов.

Для максимальной теплоотдачи выходные усилители (13) передающей части (2) приемопередающих каналов, реализованные на перспективных полевых транзисторах, установлены непосредственно на основание ППМ (20), выполненное в виде ребристого радиатора, что обеспечивает оптимальный тепловой режим работы транзисторов и увеличивает надежность передающего устройства.

Для обеспечения минимальных габаритов съемный блок вторичного электропитания (21), являющийся общим для 8-ми приемопередающих каналов, расположен в герметичном отсеке на обратной стороне модуля в свободной от радиатора области. Для обеспечения оптимальных тепловых режимов плата блока вторичного электропитания (21) крепится на крышку ППМ (22) с установкой тепловыделяющих элементов (23) съемного блока вторичного электропитания (21) в пазы платы непосредственно на крышку модуля, одновременно служащей радиатором. Съемная конструкция блока вторичного электропитания (21) позволяет проводить его регулировку вне корпуса ППМ. В этом же отсеке на основании модуля (20) в экранированной с помощью фрезерованной перегородки и фальшкрышки области устанавливается плата (24), включающая в себя два делителя 1:2 зондирующего импульса и контрольного сигнала приемной части и сумматор 2:1 приемных сигналов и контрольного сигнала передающей части.

В настоящее время на предприятии изготавливается опытный образец предлагаемого приемопередающего модуля АФАР радиолокационной станции.

Таким образом, предлагаемая полезная модель, принципиально отличающаяся от прототипа объединением 4-х приемопередающих каналов с узлом управления, делителем 1:4 зондирующего импульса и делителем 1:4 контрольного сигнала приемной части и сумматором 4:1 приемных сигналов, функционально совмещенного с сумматором контрольного сигнала передающей части в одну многослойную печатную плату, позволяет, при сохранении достоинств прототипа, существенно снизить массу, трудоемкость и стоимость изготовления ППМ, упростить конструкцию, а также увеличить надежность приемопередающей системы, что является важным условием серийнопригодности изделия.

Литература

1. Активные фазированные антенные решетки. Под редакцией Д.И. Воскресенского, А.И. Канащенкова. М. Радиотехника, 2004 г., с. 18-22.

2. Концепция создания бортовой радиолокационной системы с активной ФАР. Ю.Н. Гуськов. Радиосистемы: Радиоэлектронные комплексы, 2002 г., 1, с. 26-27.

3. АФАР - шаг на пути к решению задачи. Е.Н. Егоров, А.И. Синани. Мир авионики: Производство и технологии. 2003 г., 5, с. 31-32.

4. Патент РФ 2454763, H01Q 21/00, 2010 г.

5. Патент РФ 2380803, H01Q 21/00, 2008 г.

Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки радиолокационной станции, состоящий из приемопередающих каналов, съемного блока вторичного питания, узла управления, отличающийся тем, что введено планарное размещение в корпусе двух одинаковых многослойных печатных плат, конструктивно объединяющих в себе по 4 приемопередающих канала, включая управляемые 6-разрядный фазовращатель и 5-разрядный аттенюатор, которые являются общими для приемной и передающей частей приемопередающих каналов, два делителя 1:4 зондирующего импульса и контрольного сигнала приемной части, сумматор 4:1 приемных сигналов, функционально совмещенный с сумматором контрольного сигнала передающей части, и узел управления, которые также являются общими для четырех приемопередающих каналов, причем взаимная экранировка каналов осуществляется при помощи экранных перегородок, которые также являются элементами крепления многослойной печатной платы к корпусу приемопередающего модуля, съемный блок вторичного электропитания установлен в герметичном отсеке на обратной стороне приемопередающего модуля, в том же отсеке с внутренней стороны крышки расположена плата, включающая делитель 1:2 зондирующего импульса, делитель 1:2 контрольного сигнала приемной части и сумматор 2:1 приемных сигналов и контрольного сигнала передающей части, при этом крышка модуля является радиатором для тепловыделяющих элементов блока вторичного электропитания, а основание модуля является радиатором для выходных усилителей передающей части.

РИСУНКИ