Приемо-передающие модули АФАР Ku-диапазона частот

Одним из динамично развивающихся направлений отечественной СВЧ-электроники в последние годы стало направление систем с активными фазированными антенными решетками (АФАР), отличающихся от систем с ФАР прежде всего быстродействием, возможностями работы одновременно по многим целям и перестройки режимов. Это стало возможным после освоения промышленного выпуска широкополосных монолитных интегральных схем (МИС) широкого применения: малошумящих и мощных усилителей, переключателей каналов, переключаемых фазовращателей и аттенюаторов, защитных устройств. В результате модули, предназначенные для активных ФАР Х‑диапазона частот, уже несколько лет выпускаются серийно [1]. Вслед за этим появилась потребность в модулях для АФАР Ku-диапазона частот.

Описание модулей

Структурная схема разработанных в АО «НПП «Исток» им. Шокина» приемо-передающих модулей двух поддиапазонов диапазона частот Ku представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема разработанного приемо-передающего модуля

Модули содержат по одному приемному (ПРМ) и передающему каналу (ПРД). В них используются однофункциональные монолитные интегральные схемы.

Переключатель 12 осуществляет включение передающего или приемного каналов. Далее в составе канала ПРД согласующие усилители и усилители мощности, 6‑разрядный фазовращатель и ферритовый циркулятор для развязки выхода канала ПРД и входа канала ПРМ. Используется циркулятор Х‑структуры, а не Y, что позволяет отраженную от хода защитного устройства приемника мощность поглощать в согласованной нагрузке. В состав канала ПРМ входят: пассивное защитное устройство, малошумящий и согласующие усилители, 5‑разрядный аттенюатор, 6‑разрядный фазовращатель. Для цифрового управления фазовращателями, аттенюатором и переключателем в составе модуля имеются драйверы.

Рис. 2. Внешний вид модулей

Конструктивно модули представляют собой ряд герметичных активных СВЧ-узлов, ферритовых вентилей и циркулятора, а также вспомогательных поликоровых плат, смонтированных на едином основании (рис. 2). В большой многослойной керамической плате, реализующей концепцию объемных электронных СВЧ-схем и выполненной по технологии LTCC [2], в верхнем слое смонтированы МИС, выполняющие диаграммообразующую роль, а в нижнем слое — МИС драйверов. В небольшой унифицированной многослойной керамической плате размещены МИС малошумящего усилителя и защитного устройства. Предварительные и выходные каскады передающего канала выполнены в металлокерамических корпусах (рис. 3), обеспечивающих необходимый теплоотвод. СВЧ-сигналы подаются через микрополосковые входы/выходы. Напряжения управления и слаботочного питания подаются на контактные площадки керамической крышки большой многослойной платы. Напряжение питания на выходной усилитель мощности подается через близко расположенный штырь.

Рис. 3. Металлокерамический корпус транзисторного усилителя мощности

Все использованные СВЧ МИС разработаны и изготовлены в АО «НПП «Исток» им. Шокина». Предварительные и выходные каскады передающего канала выполнены на бескорпусных GaAs-транзисторах также производства АО «НПП «Исток» им. Шокина».

Ширина модуля, предназначенного для АФАР, определяется рабочей длиной волны. Для разработанных модулей ширина была выбрана равной порядка 11 мм для литеры 1 и порядка 10 мм для литеры 2. В связи с ограничением по ширине разработанные модули отличаются существенно более плотным расположением компонентов, чем в модулях Х‑диапазона частот. Именно это первую очередь усложняло задачу обеспечения стабильности параметров модулей.

В технологии изготовления модулей используются типовые технологические процессы. Технология изготовления разработанных модулей во многом повторяет технологию изготовления модулях АФАР Х‑диапазона частот. Вместе с тем, в связи увеличением общей длины модулей, были определены технологические операции, к качеству выполнения которых применялись повышенные требования. Это требования к плоскостности общих оснований, качеству их золочения, пайки плат и соблюдению габаритных размеров спаянных оснований, качеству пайки металлокерамических корпусов усилителей мощности на общие основания и соблюдения при этом габаритных размеров, качеству приклеивания многослойных керамических плат. Было увеличено количество циклов технологических испытаний на воздействие смены температур.

Последовательность технологических операций изготовления модулей: пайка плат линий СВЧ и питания на общее основание, пайка ПУМ и ВУМ на общее основание, приклеивание корпусированных узлов, причем большая многослойная плата клеится в открытом состоянии, разварка перемычек, настройка параметров модуля, технологические испытания, герметизация большой многослойной платы.

В таблице представлены основные параметры приемо-передающих модулей АФАР двух частотных литер Ku-диапазона частот. На момент окончания разработки отечественные аналоги разработанных модулей неизвестны.

Возможные направления совершенствования модулей АФАР

Дальнейшее совершенствование аналогичных модулей может идти в направлении использования мощных GaN-транзисторов и МИС для усилителей мощности (поэтапно, по мере появления), многофункциональных МИС в диаграммообразующих цепях, прижимных контактов для СВЧ- и низкочастотных цепей, развития конструкции и технологии многослойных плат, минимизации габаритов [3, 4].