Усовершенствование антенных систем с АФАР.
Решение компании «Ленинградские микроволны»

При ведении боевых действий в современных условиях предполагаемый противник будет оказывать, в том числе, противодействие и в радиоэлектронной войне. Это противодействие будет как пассивным, так и активным. Таким образом, радиотехническая обстановка в таких условиях будет характеризоваться быстро меняющейся радиосценой. Для эффективной работы радиоаппататуры в этих условиях требуется разработать новые многофункциональные радиоэлектронные комплексы (РЭК), которые могли бы легко адаптироваться к конкретным условиям в окружающей помеховой ситуации. Также требуется значительное усовершенствование характеристик всех видов РЭК (бортовых, наземных) и радиосистем (локационных, связных, навигационных), находящихся в составе таких комплексов.

Одной из наиболее жизненно важных систем РЭК является антенный модуль, в значительной степени определяющий характеристики комплекса в целом (точность обнаружения и наведения, дальность действия, возможность многофункциональной работы в помеховых условиях). Для построения таких модулей в РЭК были внедрены активные фазированные антенные решетки (АФАР) различного назначения, позволяющие эффективно решать многие задачи в реальном масштабе времени [1]. Основные преимущества антенных систем с АФАР детально рассмотрены в многочисленных источниках, перечислим их кратко:

• возможность сложения мощности элементов антенной решетки в пространстве;
• более высокая надежность и простота эксплуатации в сравнении с РЭК, передатчики которых построены на базе вакуумных приборов — ламп бегущей волны (ЛБВ) и клистронов;
• возможность работы в широкой полосе частот, адаптация к быстро меняющимся условиям сложной помехоцелевой обстановки.

Основными недостатками АФАР являются сложность и высокая стоимость по сравнению, например, с зеркальными антеннами. Эти проблемы частично решаются за счет применения электронной компонентной базы (ЭКБ) высокой степени интеграции при построении структурных элементов АФАР — приемопередающих модулей (ППМ).

Рис. 1. Типовая схема УУК

Функции управления амплитудой и фазой высокочастотного сигнала в ППМ АФАР в последние годы реализуются на основе универсального управляющего кристалла (УУК) или Core-Chip (рис. 1). В составе кристалла, кроме аттенюатора DA2 и фазовращателя DA4, реализованы компенсирующие усилители DA1, DA3, переключатели прием/передача SA1–SA3, выходной усилитель средней мощности DA5, входной малошумящий усилитель DA6 и цифровой интерфейс управления DD1. По подобной схеме реализованы широко известные продукты СНА3014 фирмы UMS (Франция) и XZ1002 фирмы M/A‑COM (США). Аналогичные разработки проводились на отечественных предприятиях — НПП «Исток» им. Шокина и НПФ «Микран». Усовершенствованный кристалл ФРЦБ.434857.001 разрабатывался компанией «Ленинградские микроволны». Его топологая показана на рис. 2, а типовые характеристики приведены в таблице.

Рис. 2. Топология УУК ФРЦБ.434857.001

Специалистами предприятия был проведен ряд исследований и сделаны следующие выводы.

В ряде случаев выходной мощности УУК в режиме передачи не хватает для выходного усилителя мощности и требуется дополнительный каскад усиления. Показано, что при изменении номинала питающего напряжения выходного усилителя +4…+6 В выходная мощность возрастает в диапазоне 140–230 мВт, что исключает необходимость дополнительного усилителя.

Представляет интерес время переключения состояний управляющих устройств, реализованных в виде арсенид-галлиевых микросхем (ИС). На отдельные фазовращатели и аттенюаторы приводятся значения времени переключения порядка 1–10 нс. Введение цифровых управляющих интерфейсов в состав кристалла ИС изменяет этот параметр.

Проведена оценка времени смены амплитудных и фазовых состояний УУК по схеме, приведенной на рис. 3. Сигнал частотой 10 ГГц с высокочастотного генератора (Г) подавался на вход УУК и на один из входов высокочастотного смесителя (СМ), на второй вход которого подавался сигнал с выхода кристалла. Генератор импульсов (ГИ) управлял переключением амплитудных и фазовых состояний через встроенный цифровой интерфейс УУК. На осциллографе (О) Tektronix TDS3044 наблюдалась форма радиоимпульса на выходе смесителя. Время смены амплитудных состояний составило порядка 32–37 нс, а время смены фазовых состояний — 54–56 нс.

Рис. 3. Схема измерения времени переключения УУК

Введение цифровых управляющих интерфейсов в состав УУК значительно увеличивает время смены амплитудных и фазовых состояний, что необходимо учитывать при оценке быстродействия приемопередающих модулей.

Рис. 4. Время переключения амплитудного состояния УУК

Предложенный к рассмотрению УУК в основном повторяет характеристики упомянутого ранее зарубежного продукта фирмы M/A‑COM и позволяет решать ряд задач, связанных с оптимизацией схемотехнических решений при построении ППМ АФАР, что подтверждается рядом конкретных работ, проведенных отечественными предприятиями.