Бортовое радиопередающее устройство с фазовой манипуляцией

Существующая радиотелеметрическая система канала связи (КС), используемая в госкорпорации «Росатом», была разработана в 70–90 годах прошлого века.

Для передачи контролируемой информации КС работает с использованием в приемопередающей аппаратуре сигналов с кодовой время-импульсной модуляцией (КВИМ).

На тот период развития техники выбор КВИМ был обусловлен помехозащищенностью канала связи и наиболее простой технической возможностью передавать информацию о работоспособности контролируемого бортового оборудования в нужном объеме.

В соответствии с требованием обеспечения заданного потенциала радиолинии, при приемлемых массогабаритных характеристиках передающей аппаратуры (РПДУ) и энергетических возможностях первичных источников питания, для надежной передачи необходимой информации РПДУ должно было обладать мощностью в сотни ватт.

Кроме того, отсутствие на момент разработки быстродействующих регистрирующих устройств, позволяющих фиксировать и записывать информацию о быстро протекающих процессах, требовалось передавать данные в реальном масштабе времени с КВИМ без дополнительного кодирования.

Поэтому из-за отсутствия мощных СВЧ-транзисторов первые РПДУ для КС предыдущего поколения были полностью реализованы на отечественной элементной базе.

Мощный однокаскадный СВЧ-генератор РПДУ был выполнен на металлокерамической радиолампе ГИ‑48 с параметрической стабилизацией частоты непосредственно на рабочих частотах на основе колебательной системы из термостабильных сплавов.

В формирователе модулирующих импульсов использовались первые оте­чественные интегральные микросхемы.

В выходных каскадах модулятора и в блоке питания применялись мощные низкочастотные транзисторы в ключевом режиме.

С появлением высокочастотных отечественных биполярных СВЧ-транзисторов, разработанных НИИ «Пульсар» в Москве, в 1980‑е годы в НИИИС были начаты работы и успешно созданы РПДУ с КВИМ полностью на отечественных электронных компонентах (ЭК). В блоке формирования сигнала использовалась кварцевая стабилизация частоты и цепочка транзисторных умножителей частоты. РПДУ с КВИМ до сих пор успешно эксплуатируются при различных испытаниях в госкорпорации «Росатом».

В настоящее время применение в новых перспективных разработках КС с КВИМ уже не может обеспечить требуемую пропускную способность канала связи, что и потребовало переход на сигналы с фазовой манипуляцией (ФМ), так как появилась необходимость получения все больших объемов телеметрической информации.

При создании КС нового поколения с повышенной пропускной способностью в НИИИСе была проведена разработка РПДУ с ФМ в основном на импортных ЭК.

В связи с известными событиями последнего времени и директивным указанием о переходе на отечественные ЭК в настоящее время в НИИИСе ведется разработка РПДУ с использованием полностью отечественных ЭК, как серийно выпускаемых, так и находящихся на стадии проектирования.

Разработанное РПДУ с фазовой манипуляцией на импортных ЭК состоит из следующих основных функциональных узлов:

•  формирователь логической структуры информативного кадра и модулирующего сигнала;
•  модуль интерфейсов;
•  квадратурный модулятор и синтезатор;
•  трехкаскадный СВЧ-усилитель мощности;
•  блок питания.

Внешний вид РПДУ приведен на рис. 1.

Рис. 1. Радиопередающее устройство на импортных электронных компонентах

РПДУ с фазовой манипуляцией обладает следующими основными характеристиками:

•  передача телеметрической информации со скоростью 0,5–1 Мбит/с при двухпозиционной и до 2 Мбит/с при четырехпозиционной фазовой манипуляции;
•  выходная мощность не менее 10 Вт при работе на фиксированных рабочих частот в С‑диапазоне;
•  потребляемая мощность от первичного источника питания напряжением 20–33 В: не более 55 Вт;
•  объем: не более 1 дм³;
•  масса: не более 1,2 кг.

Функциональная схема РПДУ представлена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема РПДУ с ФМ

В качестве основных ключевых импортных ЭК была использована и применяется сегодня при производстве РПДУ следующая элементная база:

•  в формирователе логической структуры кадра и модулирующего сигнала программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) фирмы Xilinx, флэш-память объемом 4 Мбит фирмы Numonyx, полностью совместимая с ПЛИС, и двухканальный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) фирмы Analog Device с разрядностью 12 бит для формирования аналогового модулирующего сигнала;
•  формирования цифровых отсчетов сигнала с ПЛИС на ЦАП малым джиттером и стабильным фронтом осуществляется микросхемой умножителя частоты фирмы ON Semiconductor;
•  в синтезаторе частот применены микросхемы PLL синтезаторов со встроенным генератором фирмы Analog Device;
•  в квадратурном модуляторе для формирования СВЧ фазоманипулированного сигнала применена микросхема квадратурного модулятора фирмы Analog Device;
•  для обеспечения подстройки частоты опорного генератора применена микросхема цифрового потенциометра фирмы Analog Device;
•  в усилителе мощности УМ, состоящем из трех усилительных каскадов, использованы транзисторы SBA‑5089Z фирмы Stanford Microdevices, MAAM‑009286 фирмы M/A‑ COM и GaN транзистор NPTB00025 фирмы Nitronex Corporation.

Следует отметить, что единственным и важным отечественным узлом, определяющим стабильность колебаний несущих частот РПДУ, является термокомпенсированный генератор ГК143‑ТС [1] производства ОАО «Морион» (Санкт-Петербург).

Благодаря высококвалифицированному персоналу, современному оборудованию, сертифицированной системе качества и технологическому совершенству ОАО «Морион» является крупным поставщиком кварцевых генераторов во многие известные компании мира, в том числе США, Канады, Франции, Германии и других стран [2].

Замена ЭК в блоке формирователя логической структуры кадра и модулирующего сигнала, в модуле интерфейсов на отечественные, разработки АО «НИИЭТ» (Воронеж) и ЗАО «ПКК Миландр» в настоящее время не вызывает особых трудностей в оптимальном выборе и может привести лишь к незначительному увеличению объема.

Блок питания может быть также реализован на отечественных ЭК и с использованием микросхем разработки НИИИСа.

Реализация СВЧ-блоков, формирующих рабочие сигналы с нужными параметрами — синтезатора частоты с фазовой автоматической подстройкой частоты и квадратурного модулятора, — полностью возможна на отечественных микросхемах.

При разработке синтезатора частоты на фиксированные частоты С‑диапазона возможны различные варианты построения с использованием микросхем ЗАО «ПКК Миландр» и АО НПЦ «Элвис» (Зеленоград), ОАО «НПП «Пульсар» (Москва).

Квадратурный модулятор 1327 МА015 — это функциональный аналог ADL5375 (Analog Devices Inc), разработанный АО «НИИМА «Прогресс», замещает используемую микросхему квадратурного модулятора фирмы Analog Device.

До недавнего времени разработка СВЧ-усилителя мощности с высоким КПД для бортового РПДУ сдерживалась отсутствием отечественных мощных СВЧ GaN-транзисторов.

Эти транзисторы, применяемые в выходном каскаде усилителя, совместно с блоком питания определяют в основном потребляемую мощность РПДУ.

Разработку GaN-транзисторов осуществляет ряд отечественных производителей. Наибольших успехов в этом направлении добилось АО «НИИЭТ» (Воронеж).

Предприятие по техническим условиям АДКБ.432140.540 выпускает нитрид-галлиевые эпитаксиально-планарные полевые n‑канальные мощные транзисторы с затвором Шоттки в металлокерамических корпусах, предназначенные для работы в усилителях мощности в диапазоне частот до 6000 МГц.

Основные и некоторые классификационные характеристики GaN-транзисторов приведены в таблице 1.

В настоящее время АО «НИИЭТ» заканчивает разработку GaN-транзисторов с категорией качества ВП, которые выполнены по современной технологии и заменят импортные комплектующие. Высокая выходная мощность, стойкость аппаратуры к космической радиации, стабильная работа при температурах –60…+125 °C позволит широко внедрять эти транзисторы в авиационное, космическое и военное оборудование.

Разработчики прогнозируют, что потребность в мощных СВЧ GaN-транзисторах только на отечественном рынке составляет более 100 тыс. штук в год [3].

После получения опытных образцов мощных GaN-транзисторов ПП9136 А, ПП9138 Б и ПП9139 А в НИИИСе были проведены предварительные исследования макетов усилителей.

Результаты исследования работы GaN-транзисторов в макете усилителя показали полное соответствие заявленных параметров по основным параметрам на частотах в С‑диапазоне.

Наибольший интерес представляют результаты предварительных испытаний работы 25‑Вт транзистора ПП9138 Б в выходном каскаде усилителя, определяющем основное потребление от бортового источника питания.

Основные результаты проведенных исследований с 25‑Вт транзистором представлены в рис. 3.

Рис. 3. Основные результаты проведенных исследований с 25-Вт транзистором — зависимости:
а) выходной мощности макета усилителя от напряжения стока;
б) выходной мощности макета усилителя от мощности на входе;
в) Рвых макета усилителя от частоты;
г) КПД макета усилителя от входной мощности

В таблице 2 указаны основные ключевые импортные ЭК, используемые в выпускаемом РПДУ, и отечественные ЭК, запланированные к эксплуатации в разрабатываемом корпорацией «Росатом» в НИИИСе РПДУ с фазовой манипуляцией.

Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие основные положения и результаты:

•  проведен анализ и показана возможность замены импортных комплектующих в РТС бортовых РПДУ на отечественные ЭК, разработанные и выпускаемые в России ЗАО «ПКК Миландр», АО НПЦ «Элвис», АО «НИИМА «Прогресс» и ОАО «НПП «Пульсар»;
•  выполнено предварительное исследование и показана возможность разработки СВЧ-усилителя с высоким коэффициентом полезного действия на GaN-транзисторах, созданных и выпускаемых АО «НИИИТ»;
•  полученные результаты дают возможность после проведения полного цикла разработки и всех необходимых испытаний приступить к серийному производству РПДУ с заданными техническими требованиями полностью на отечественных ЭК.