eng
Содержание
Содержание
Глава 11. Полупроводниковые СВЧ-приборы для РЛС .......................................831
11.1.
Элементная база приемопередающих модулей для фазированных
антенных решеток ...................................................................................831
11.1.1.
Аттенюаторы для приемопередающих модулей активных
фазированных антенных решеток ...............................................831
11.1.2.
Двухполюсные переключатели для АФАР ...................................834
11.1.3.
Фазовращатели для АФАР ............................................................835
11.1.4.
Предусилители приемопередатчика для АФАР ...........................837
11.1.5.
Малошумящие усилители и усилители мощности
для АФАР ......................................................................................837
11.1.6.
Помехоподавляющие фильтры для АФАР ...................................841
11.2.
Отечественная элементная база СВЧ-приборов для РЛС .....................843
11.2.1.
Отечественные GaAs активные элементы для приемо-
передающих СВЧ-модулей сантиметрового диапазона .............843
11.2.2.
СВЧ-приборы АО «Микроволновые системы»...........................851
11.2.2.1.
Широкополосные усилители мощности
дециметрового диапазона на основе карбида
кремния ..........................................................................851
11.2.2.2.
Сверхширокополосные СВЧ-усилители мощности
диапазона 6–18 ГГц .......................................................854
11.2.2.3.
Технические параметры серии мощных
и маломощных СВЧ-усилителей производства
АО «Микроволновые системы» .....................................858
11.3.
Отечественные СВЧ-комплектующие на GaAs производства
ЗАО «НПП «Планета-Аргалл» ................................................................863
11.3.1.
Транзисторные усилители ............................................................863
11.3.2.
Защитные устройства ...................................................................865
11.3.3.
СВЧ-транзисторы .........................................................................867
11.4.
Особенности проектирования частотно-избирательных
микросхем на ПАВ ..................................................................................870
11.5.
Радиоприемные СВЧ-устройства производства НПП «Пульсар» ........877
11.6.
Высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи
для РЛС ....................................................................................................885
11.7.
Зарубежные микросхемы для приемопередающих модулей РЛС
на основе нитрида галлия ........................................................................889
11.7.1.
Приемопередающие модули АФАР на основе GaN ....................889
11.7.2.
Монолитные GaN СВЧ-усилители мощности ............................891
11.7.3.
СВЧ-микросхемы переключателей на основе GaN ....................893
11.7.4.
Оптимизация конструкции GaN СВЧ-транзисторов ................895
11.7.5.
СВЧ-микросхемы компании RFHIC ..........................................896
11.7.5.1.
СВЧ-микросхемы на GaN для систем
беспроводной связи........................................................896
11.7.5.2.
GaN-усилители для импульсных РЛС ...........................899
822
Содержание
11.8.
ВЧ- и СВЧ-приборы компании Mini-Circuits ........................................902
11.8.1.
Интегрированные монолитные усилители группы VNA ............902
11.8.2.
Двойные балансные смесители группы MCA1 ...........................904
11.8.3.
Серия универсальных высокочастотных усилителей .................906
11.8.4.
Смесители частот ..........................................................................907
11.8.5.
Аттенюаторы ВЧ- и СВЧ-диапазонов .........................................909
11.9.
СВЧ-микросхемы компании Hittite Microwave ......................................910
11.9.1.
СВЧ-микросхемы аттенюаторов компании Hittite Microwave ......910
11.9.1.1.
Типовые микросхемы аттенюаторов с аналоговым
управлением ...................................................................914
11.9.1.2.
Микросхемы аттенюаторов с цифровым
управлением ...................................................................916
11.9.1.3.
СВЧ и сверхширокополосные усилители
с фиксированным усилением ........................................918
11.9.2.
Монолитные СВЧ-микросхемы полных синтезаторов
частоты компании Hittite Microwave ...........................................931
11.9.2.1.
Монолитные микросхемы PLL СВЧ-синтезаторов ......931
11.9.2.2.
Трехдиапазонные монолитные микросхемы
синтезаторов ...................................................................933
11.9.2.3.
Широкодиапазонные монолитные микросхемы
синтезаторов ...................................................................936
11.9.2.4.
Микросхемы HMC983 и HMC984 для построения
сверхширокополосных синтезаторов ............................940
11.9.2.5.
Монолитные микросхемы широкодиапазонных
синтезаторов HMC701/702/703 .....................................946
11.9.2.6.
Программное обеспечение монолитных микросхем
синтезаторов ...................................................................950
11.10.
Особенности выбора элементной базы для систем вторичного
электропитания приемопередающих модулей АФАР ..........................955
11.10.1.
Принципы построения системы электропитания для
ППМ АФАР ..............................................................................955
11.10.2.
Технологические особенности изготовления
DC/DC преобразователей .......................................................958
11.10.3.
Особенности преобразователей SynQor серии Hi-Rel ............961
11.10.4.
Электромагнитные процессы в системе питания
ППМ АФАР ..............................................................................964
Глава 12. ВЧ и СВЧ комплектующие компоненты для РЛС ................................972
12.1.
Микрополосковые фильтры для СВЧ-систем........................................972
12.2.
Особенности применения СВЧ-фильтров на акустических волнах......975
12.3.
Особенности использования специальных конструктивных
решений кабельных гермовводов для СВЧ-устройств ...........................979
12.4.
Отечественные мощные полосковые СВЧ-резисторы ..........................983
12.5.
Высокочастотные соединения для активных фазированных
антенных решеток ...................................................................................986
Содержание 823
12.6.
ВЧ- и СВЧ-комплектующие компании Spectrum Advanced
Specialty Products ......................................................................................992
12.7.
Керамические СВЧ-компоненты для РЛС ...........................................1008
12.7.1.
Керамические конденсаторы .....................................................1008
12.8.
Сетевые фильтры и пленочные конденсаторы для РЛС ......................1011
12.9.
Специальные соединители и кабельные сборки ..................................1014
12.10.
Эволюция корпусов для устройств и блоков РЭА ..............................1016
Глава 13. Методы и средства обеспечения надежности
радиолокационных систем и систем связи .........................................................1020
13.1.
Электромагнитная совместимость: термины, определения,
классификация ......................................................................................1020
13.1.1.
Природа электромагнитных помех ............................................1020
13.1.2.
Термины, определения, классификация ЭМС .........................1025
13.1.3.
Нормы и стандарты электромагнитной совместимости ...........1028
13.2.
Обеспечение электромагнитной совместимости
микропроцессорных блоков управления РЛС .....................................1039
13.2.1.
Особенности проектирования печатных плат,
оптимизированных по электромагнитной совместимости ......1039
13.2.2.
Измерение уровня помех, излучаемых
микроконтроллерами .................................................................1045
13.2.3.
Обеспечение электромагнитной совместимости
в проводных системах связи ......................................................1054
13.2.4.
Проектирование печатных плат для высокоскоростных
систем связи ...............................................................................1057
13.3.
Защитные СВЧ-устройства для РЛС и систем связи ...........................1069
13.3.1.
Классификация и особенности создания защитных
СВЧ-устройств для радиолокации и связи ...............................1069
13.3.2.
Газоразрядные защитные устройства .........................................1071
13.3.3.
Полупроводниковые защитные устройства ..............................1072
13.3.4.
Вакуумные защитные устройства ..............................................1079
13.4.
Особенности оценки ресурса СВЧ-устройств с учетом
надежности механических составных частей .......................................1081
13.5.
Особенности организации цепей электропитания
СВЧ-устройств РЛС...............................................................................1087
13.6.
ВЧ- и СВЧ-компоненты для подавления электромагнитных
помех ......................................................................................................1095
13.7.
Особенности оценки ресурса СВЧ-устройств с учетом
надежности механических частей .........................................................1102
13.8.
Стандартные методы испытаний СВЧ-устройств на устойчивость
к электростатическим разрядам ............................................................1109
13.8.1.
Стандарты испытания на уровне устройства ............................1110
13.8.1.1.
Модель человеческого тела ..........................................1110
13.4.1.2.
Машинная модель ........................................................1111
13.8.1.3.
Модель заряженного устройства .................................1112
824
Содержание
13.8.2.
Сравнение методов испытаний на уровне устройства ..............1113
13.8.3.
Стандарты испытаний на системном уровне ............................1114
13.8.3.1.
Устойчивость к электростатическому разряду ............1114
13.8.3.2.
Устойчивость к быстрому переходному процессу .......1115
13.8.3.3.
Устойчивость к всплескам напряжения ......................1117
13.9.
Пассивная интермодуляция в СВЧ-цепях ...........................................1118
13.9.1.
Механизмы возникновения пассивной интермодуляции ........1119
13.9.2.
Причины появления пассивной интермодуляции
и методы снижения ее уровня в радиочастотных
соединителях ..............................................................................1120
13.9.3.
ПИМ в материале печатной платы ............................................1121
13.9.4.
ПИМ в полосковых, коаксиальных и волноводных
линиях передачи .........................................................................1122
13.9.5.
ПИМ в направленных ответвителях, частотных
дуплексерах и трансформаторах ................................................1122
13.9.6.
Внешние источники ПИМ ........................................................1123
13.9.7.
Способы оценки уровня ПИМ ..................................................1124
13.9.8.
Специализированная аппаратура для тестирования ПИМ ......1127
Глава 14. Радиофотоника в телекоммуникационных и радиолокационных
системах ................................................................................................................1135
14.1.
Фотонные устройства на основе поверхностно излучающих
лазеров с вертикальным резонатором ...................................................1135
14.2.
Конструкция длинноволнового поверхностно излучающего
лазера сплавной конструкции ...............................................................1138
14.3.
Основные технические характеристики длинноволнового
поверхностно излучающего лазера сплавной конструкции ................1140
14.3.1.
Электрические и энергетические характеристики....................1140
14.3.2.
Малосигнальные частотно-модуляционные
характеристики ..........................................................................1141
14.3.3.
Шумовые характеристики .........................................................1141
14.3.4.
Линейность в режиме большого сигнала...................................1142
14.3.5.
Спектральные и перестроечные характеристики .....................1143
14.4.
Лазеры непрерывной генерации: VECSEL, MEMS-VCSEL,
LICSEL ...................................................................................................1145
14.5.
Лазеры импульсной генерации: VECSEL-SESAM, MIXSEL ...............1156
14.6.
Основные направления фундаментальных исследований в области
компонентной базы радиофотоники и функциональных устройств
на ее основе ............................................................................................1159
14.7.
Примеры применения радиофотонных устройств в радиолокации ....1161
14.7.1.
Активные линии задержки .........................................................1161
14.7.2.
Каналы передачи СВЧ-сигналов на большие расстояния........1163
14.7.3.
Системы распределения радиосигналов по полотну
АФАР РЛС ..................................................................................1165
14.7.4.
Измерительно-калибровочные средства для РЛС ....................1167
Содержание 825
14.8.
СВЧ-фотодетекторы для систем радиофотоники, радиолокации
и оптоволоконной связи .......................................................................1169
14.8.1.
Физические принципы работы СВЧ p-i-n-фотодетекторов .....1169
14.8.2.
Физические механизмы ограничения фототока
p-i-n-фотодиода .........................................................................1174
14.8.3.
Конструктивные решения фотодиодов ....................................1177
14.8.3.1.
Фотодиод с двойной обедненной областью (DDR) ....1177
14.8.3.2.
Фотодиод с частично обедненным поглощающим
слоем (PDA) ..................................................................1177
14.8.3.3.
Униполярный гетерофотодиод (UTC) .........................1178
Глава 15. Измерения и анализ СВЧ-устройств ....................................................1187
15.1.
Особенности измерений и анализа цепей в миллиметровом
диапазоне волн ......................................................................................1187
15.2.
Инструментальный анализ СВЧ-цепей в миллиметровом
диапазоне волн (задачи, методы, средства) ..........................................1190
15.2.1.
Измеряемые «цепные» параметры СВЧ-устройств ..................1190
15.2.2.
Измерительные задачи анализа СВЧ-цепей .............................1192
15.2.3.
Некоторые общие требования к измерителям параметров
цепей миллиметрового диапазона волн ....................................1195
15.3.
Ретроспективный анализ методов и средств измерений параметров
СВЧ-цепей .............................................................................................1196
15.3.1.
Зондовые методы ........................................................................1196
15.3.1.1.
Методы измерений на основе измерительной
волноводной линии ......................................................1196
15.3.1.2.
Анализ погрешностей измерительной линии .............1199
15.3.1.3.
Измерительная линия с качанием частоты .................1201
15.3.1.4.
Многозондовые измерительные линии.
Метод четырех зондов ..................................................1202
15.3.1.5.
Параметры серийных измерительных линий
миллиметровых волн ....................................................1205
15.4.
Рефлектометрические методы измерений параметров СВЧ-цепей.
Рефлектометры ......................................................................................1207
15.5.
Тенденции дальнейшего развития и новые области применения
векторных анализаторов цепей .............................................................1207
15.5.1.
Основные тенденции развития ВАЦ .........................................1207
15.5.2.
Новые частотные диапазоны и измерительные среды .............1208
15.6.
Повышение точностных характеристик ВАЦ и дальнейшее
совершенствование методов и средств их метрологического
обеспечения ...........................................................................................1212
15.7.
Расширение функциональных возможностей, применение
анализаторов цепей для измерений параметров активных
и нелинейных СВЧ-устройств ..............................................................1215
15.7.1.
Частотно-временные преобразования ......................................1215
15.7.2.
Модуляционный векторный анализ цепей ...............................1215
826
Содержание
15.7.3.
Особенности измерений параметров нелинейных
СВЧ-цепей ..................................................................................1217
15.8.
Автоматизированные аппаратные средства для измерений
параметров интегральных схем на полупроводниковых пластинах
в миллиметровом диапазоне волн.........................................................1218
15.8.1.
Тестирование СВЧ интегральных схем
на полупроводниковых пластинах ............................................1218
15.8.2.
Копланарные пробники .............................................................1220
15.8.3.
Автоматизированные комплексы тестирования ИС
на полупроводниковых пластинах ............................................1222
15.8.4.
Особенности калибровки измерительных систем
при тестировании ИС на полупроводниковых пластинах .......1227
15.8.5.
О преимуществах РЧ- и микроволнового тестирования ИС
на полупроводниковых пластинах ............................................1228
15.9.
Векторные анализаторы цепей миллиметровых волн.
Классификация и принципы построения ............................................1229
15.9.1.
Типы и классификация векторных анализаторов цепей ..........1229
15.9.2.
Гетеродинные ВАЦ .....................................................................1232
15.9.3.
Гомодинные ВАЦ. Методы измерений в зависимости
от модуляции опорного и измерительного сигналов ................1234
15.9.4.
Схема с амплитудной модуляцией в измерительном канале ....1235
15.9.4.1.
Метод Шафера–Кона ..................................................1235
15.9.4.2.
Измерительный тракт гомодинного ВАЦ
с модуляцией измерительного сигнала .......................1236
15.9.4.3.
Схемы с линейной фазовой модуляцией
и фазовой манипуляцией измерительного сигнала ....1238
15.9.4.4.
Схема с модуляцией опорного сигнала .......................1240
15.10.
Гомодинные схемы с одновременной модуляцией измерительного
и опорного сигналов ............................................................................1241
15.11.
Структурные схемы автоматических анализаторов цепей
гомодинного типа ................................................................................1245
15.11.1.
Структурные схемы анализаторов цепей с четырнадцати-
полюсным измерительным СВЧ-трактом ............................1245
15.11.2.
Структурная схема анализатора цепей с десятиполюсным
измерительным СВЧ-трактом ...............................................1248
15.11.3.
Структурная схема ВАЦ с восьмиполюсным
измерительным СВЧ-трактом ...............................................1250
15.12.
Анализаторы цепей компании Keysight ..............................................1251
15.12.1.
Анализаторы цепей серии PNA-X .........................................1251
15.12.2.
Особенности проведения испытаний усилителей
анализаторами цепей PNA-X.................................................1258
15.12.3.
Особенности тестирования нелинейных устройств
анализаторами цепей PNA-X.................................................1259
15.12.4.
Средства калибровки анализаторов цепей ............................1265
15.12.5.
Измерительные системы на основе анализаторов цепей .....1266
Содержание 827
15.12.6.
Анализаторы цепей PNA-L ....................................................1269
15.12.7.
Анализаторы цепей серии PNA .............................................1270
15.12.8.
Нелинейные векторные анализаторы цепей (NVNA) ..........1273
15.12.9.
Генератор сигналов Keysight UXG ..........................................1276
Глава 16. Измерение электрофизических параметров диэлектрических
и полупроводниковых материалов и структур СВЧ-электроники .....................1283
16.1.
Анализ современного состояния исследований в области
технологий контроля параметров диэлектрических
и проводящих материалов на СВЧ ........................................................1283
16.1.1.
Особенности использования СВЧ-методов измерений
в полупроводниковой СВЧ-электронике..................................1283
16.1.2.
Измерение электрофизических параметров материалов
волноводными методами ...........................................................1286
16.1.3.
Измерение параметров полупроводников мостовыми
методами .....................................................................................1289
16.1.4.
Измерение параметров полупроводников
резонаторными методами ..........................................................1291
16.1.5.
Измерение параметров материалов методом
волноводно-диэлектрического резонанса ................................1295
16.1.6.
Измерение параметров материалов и структур
автодинными методами .............................................................1297
16.1.7.
Измерение параметров материалов с использованием
синхронизированных генераторов ............................................1298
16.1.8.
Ближнеполевая СВЧ-микроскопия свойств материалов .........1299
16.1.9.
Измерения толщины нанометровых слоев металла
и электропроводности полупроводника в структурах
металл – полупроводник по спектрам отражения
и прохождения электромагнитного излучения .........................1303
16.2.
Математическая модель и результаты компьютерного
моделирования взаимодействия электромагнитного излучения
СВЧ-диапазона с одномерными волноводными фотонными
структурами, включающими нанометровые металлические,
диэлектрические и полупроводниковые слои ......................................1305
16.2.1.
Взаимодействие СВЧ-излучения с многослойными
структурами с плоскостями слоев, перпендикулярных
направлению распространения излучения ...............................1305
16.2.1.1.
Математическая модель ...............................................1306
16.2.1.2.
Результаты компьютерного моделирования
спектров отражения волноводных фотонных
структур в различных диапазонах частот ....................1308
16.2.1.3.
Результаты компьютерного моделирования
зависимости спектров отражения волноводных
фотонных структур от положения «нарушения»
периодичности в структуре фотонного кристалла ......1313
828
Содержание
16.2.1.4.
Результаты компьютерного моделирования
зависимости спектров отражения волноводных
фотонных структур от параметров нарушения ...........1315
16.2.1.5.
Результаты компьютерного моделирования спектров
отражения волноводных фотонных структур,
содержащих проводящие слои .....................................1318
16.3.
Теоретическое обоснование метода измерения параметров
материалов СВЧ с использованием одномерных волноводных
фотонных структур ................................................................................1322
16.3.1.
Измерение диэлектрической проницаемости материалов .......1322
16.3.2.
Измерение комплексной диэлектрической
проницаемости материалов с потерями ....................................1325
16.3.3.
Измерение толщин нанометровых металлических пленок
на диэлектрических или полупроводниковых подложках .......1328
16.4.
Результаты экспериментального исследования взаимодействия
СВЧ-излучения с одномерными волноводными фотонными
структурами ...........................................................................................1332
16.4.1.
Результаты экспериментального исследования спектров
отражения и прохождения волноводных фотонных
кристаллов ..................................................................................1332
16.4.2.
Использование волноводных фотонных структур
для измерения параметров нанометровых металлических
слоев на полупроводниковых и диэлектрических подложках ....1334
16.4.2.1.
Экспериментальное исследование частотных
зависимостей коэффициента отражения
фотонных структур, содержащих нанометровые
металлические слои ......................................................1334
16.4.2.2.
Измерение электропроводности металлических
пленок, нанесенных на диэлектрические подложки ....1336
16.4.2.3.
Измерение толщин металлических пленок,
нанесенных на полупроводниковые подложки ..........1338
16.4.2.4.
Измерения толщины нанометровых слоев
металла и электропроводности полупроводника
в структурах металл – полупроводник ........................1341
16.4.3.
Использование волноводных фотонных структур
для измерения параметров диэлектрических материалов ........1343
16.4.3.1.
Экспериментальное исследование частотных
зависимостей коэффициента отражения фотонных
структур, содержащих неоднородности в виде
диэлектрических слоев .................................................1343
16.4.3.2.
Измерение диэлектрической проницаемости
материалов с низкими потерями .................................1345
16.4.3.3.
Измерение действительной и мнимой частей
комплексной диэлектрической проницаемости
материалов с потерями .................................................1348
Содержание 829
Глава 17. Радиационная стойкость СВЧ-устройств ............................................1371
17.1.
Влияние ионизирующих излучений на характеристики
кремний-германиевых интегральных схем СВЧ-диапазона ...............1371
17.1.1.
Гетероструктурные биполярные транзисторы ...........................1372
17.1.2.
Микросхемы СВЧ МШУ И ШПУ .............................................1374
17.1.3.
Микросхемы СВЧ ГУН ..............................................................1378
17.2.
Особенности проектирования радиационно-стойкой библиотеки
проектирования СВЧ функциональных блоков на базе
КМОП КНИ-технологии ......................................................................1383
17.2.1.
Высокочастотные и шумовые свойства отечественных
КНИ МОП-транзисторов ..........................................................1385
17.2.2.
Приборное моделирование КНИ МОП-транзистора ..............1385
17.2.3.
МОП-варикапы ..........................................................................1389
17.2.4.
R, С, L элементы.........................................................................1391
17.2.5.
Разработка функциональных блоков СВЧ-тракта ....................1393
17.3.
Особенности механизмов воздействия факторов космического
пространства на образование локальных радиационных
ффектов ..................................................................................................1398
17.4.
Особенности проектирования пассивных элементов
для радиационно-стойких монолитных кремний-германиевых
СВЧ ИС ..................................................................................................1405
17.4.1.
Микрополосковая линия передачи ...........................................1405
17.4.2.
Интегральные индуктивности ...................................................1407
17.4.3.
Симметрирующие трансформаторы ..........................................1409
Глава 18. Методы и средства защиты от электромагнитных излучений ............1416
18.1.
Введение в проблему .............................................................................1416
18.2.
Особенности влияния электромагнитных излучений
на биологические объекты ....................................................................1417
18.2.1.
Влияние излучений мобильного телефона на биологические
объекты .......................................................................................1417
18.2.2.
Биологическое действие электромагнитных полей ..................1422
18.2.3.
Последствия действия электромагнитных полей
для здоровья человека ................................................................1423
18.3.
Современные методы и средства экранирования
электромагнитного излучения ..............................................................1428
18.3.1.
Взаимодействие электромагнитного излучения
с различными материалами .......................................................1428
18.3.2.
Конструкции защитных экранов электромагнитного
излучения ....................................................................................1434
18.3.2.1.
Металлические конструкции защитных экранов .......1434
18.3.2.2.
Конструкции поглотителей электромагнитного
излучения ......................................................................1436
18.3.2.3.
Влагосодержащие конструкции защитных экранов
электромагнитного излучения .....................................1452
830
Содержание
18.4.
Многослойные пленочные экраны для защиты
от электромагнитных излучений ..........................................................1459
18.4.1.
Технология формирования многослойных пленочных
экранов .......................................................................................1459
18.4.2.
Защита от статических магнитных полей ..................................1461
18.4.3.
Защита от низкочастотных электромагнитных полей ..............1464
18.4.4.
Защита от импульсных электромагнитных полей ....................1465
18.4.5.
Защита от воздействия квазистационарных
магнитных полей ........................................................................1468
18.5.
Методика оценки эффективности магнитостатического
экранирования цилиндрическими экранами .......................................1478
18.5.1.
Методика эксперимента.............................................................1478
18.5.2.
Анализ экспериментальных результатов ...................................1480
18.5.3.
Аналитический расчет эффективности экранирования
конечной цилиндрической оболочкой .....................................1484
8.5.3.
Заключение ...................................................................................1486
18.6.
Поглотители электромагнитного излучения ........................................1487
18.6.1.
Гибкие конструкции поглотителей электромагнитного
излучения с жидкостными наполнителями ..............................1487
18.6.2.
Влагосодержание волокнистых материалов ..............................1491
18.6.3.
Защита от радиоэкологических воздействий
на биологические объекты с помощью гибких конструкций
широкополосных экранов электромагнитного излучения ......1493
18.7.
Основные принципы экранирования радиоэлектронной
аппаратуры ............................................................................................1495
18.8.
Воздействие преднамеренных электромагнитных помех
на бортовые кабели космических аппаратов ........................................1503
ГЛАВА 11
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЧ-ПРИБОРЫ
ДЛЯ РЛС
11.1. Элементная база приемопередающих модулей
для фазированных антенных решеток
11.1.1. Аттенюаторы для приемопередающих модулей
активных фазированных антенных решеток
Как показано в гл. 1, структура современного радиолокатора мало отличается от
систем, разработанных на заре становления радиолокации, – антенная система,
приемник, передатчик, электронные системы управления и обработки информации.
Развитие техники в этой области двигалось в направлении усовершенствования
каждой составной части параллельно. Однако именно развитию антенных систем
и постепенному интегрированию конструкции антенны с трактами приемника и
передатчика уделялось особое внимание. В совокупности с совершенствованием
элементной базы и переходом к использованию в радиолокационных целях все
более высоких частот в широкое применение вошли фазированные антенные
решетки – антенны, состоящие из группы излучателей, фазой сигнала в которых
можно управлять независимо, формируя эффективное излучение антенны в целом
на одном желаемом направлении, отличном от направления эффективного излу-
чения отдельного элемента. Таким образом, появилась возможность эффективно
управлять лучом антенны не механическим, а электронным способом.
На рис. 11.1 схематично [1] показан принцип формирования фазового фронта
и направление суммарного луча антенной решетки перпендикулярно этой плоско-
сти равных фаз: входной сигнал делится на множество каналов, соответствующих
количеству элементов решетки, сигнал в каждом канале получает свое фазовое сме-
щение, необходимое для определенного положения лучей решетки в пространстве.
В гл. 1 мы упоминали два основных вида систем на фазированных антенных
решетках – пассивные антенные решетки и активные. Основное различие таково:
в пассивных антенных решетках имеется один мощный приемопередатчик, чей
сигнал делится на все каналы, а в активных фазированных решетках (АФАР) канал
каждого элемента решетки имеет свой собственный приемопередатчик. Каждая из
концепций имеет свои плюсы и минусы: пассивные решетки значительно дешевле,
но требуют применения очень мощных источников сигнала, которым, в свою оче-
редь, необходима сложная схема питания, охлаждения. Активные решетки имеют
огромный запас по надежности – выход из строя одного или нескольких приемо-
передатчиков не приводит к отказу всей системы, но количество используемых
компонентов и сложность управления, синхронизации, в конце концов, стоимость
устройства превышает стоимость пассивной решетки на порядки.
Однако развитие современной базы СВЧ-электроники позволяет системам на
АФАР стремительно вытеснять пассивные решетки не только с уже давно занятых
позиций в авиационной и военной технике, но и в сугубо гражданских применени-
ях – подповерхностном зондировании Земли, радиолокаторах систем организации
воздушного движения, космических программах и т.д.
Основным элементом АФАР является приемопередающий модуль (ППМ).
В современных системах зачастую антенна отдельного элемента решетки является
частью конструктива ППМ. Пример внешнего вида современного ППМ показан
на рис. 11.2 [1].
По архитектуре, конструкции и схемотехнике приемопередающие модули могут
реализовываться различными способами, но есть возможность обобщенного пред-
ставления, составные части такой схемы, так или иначе, присутствуют во всех из них.
В этом разделе кратко рассмотрим только эти элементы. Для конкретизации при-
меров построения ППМ определим круг компонентов, которые позволят решить
задачу конструирования АФАР в самых популярных диапазонах частот:
– L – 1–2 ГГц;
– S – 2–4 ГГц;
– X – 8–12 ГГц.
Обобщенная структурная схема ППМ для АФАР приведена на рис. 11.3 [2].
Первый такой базовый элемент – это аттенюатор.
Аттенюатор — элемент, общий для трактов приемника и передатчика, он пред-
назначен для задания дополнительной вариативности сигналов не только по фазе,
но и по амплитуде — позволяет уменьшить влияние боковых лепестков диаграммы,
устранить неидентичность коэффициента передачи отдельных приемопередатчиков.
Как правило, используется цифровой аттенюатор, так как аналоговый аттенюатор
будет сильно зависеть в своих характеристиках от качества формирования управля-
ющего сигнала, что практически в настоящее время обеспечить достаточно сложно.
Ниже рассмотрим ряд современных технических решений таких компонентов
на примере продукции американской компании Hittite Microwave, которая заре-
комендовала себя на мировом рынке в качестве одного из несомненных лидеров-
изготовителей практически всех компонентов СВЧ-диапазона, необходимых для
построения современных СВЧ-устройств для радиолокации и связи.
В период 2008–2010 гг. появилась тенденция к созданию широкополосных
цифровых аттенюаторов, перекрывающих несколько частотных диапазонов, по-
зволяя инженерам унифицировать свои разработки под разные применения [3–6].
Следующий важный критерий выбора аттенюатора – диапазон ослабления и
минимальный шаг. Современные решения предоставляют возможность получить
более 30 и 0,5 дБ соответственно (табл. 11.1).
В частности, как видно из табл. 11.1, один из типовых представителей со-
временных цифровых аттенюаторов HMC424LP3 представляет собой линейку
фиксированных аттенюаторов с возможностью управления каждой секцией по-
следовательным или параллельным цифровым кодом (рис. 11.4).
11.1.2. Двухполюсные переключатели для АФАР
На рис. 11.5 представлена упрощенная структура переключателя НМС232 этой
фирмы. Здесь имеется три переключателя (ключа). Ключ 1 применяется для раз-
деления основного сигнала на тракт приемника или передатчика, оставшиеся два
(ключ 2 и 3) используются для подключения однонаправленных элементов (имею-
щих строгое направление «вход-выход») – общего предусилителя и фазовращателя
в цепи приемника или передатчика на выбор.
Выбор конкретного типономинала переключателя осуществляется прежде всего
по вносимым потерям и по развязке между каналами. Также следует уделять вни-
мание времени переключения. Современные переключатели имеют возможность
осуществления полного перехода от режима приема к режиму передачи за единицы
наносекунд, что существенно уменьшает мертвую зону видимости радиолокатора.
Но надо заметить, что для такого времени переключения обычно требуется орга-
низация отрицательного напряжения управления. Это не так сложно реализовать,
что, однако, приводит к увеличению количества компонентов в схеме устройства.
11.1.3. Фазовращатели для АФАР
Фазовращатель – это основной элемент любого приемопередатчика АФАР (рис. 11.6),
поскольку от него по большей части и будет зависеть качество работы всей системы.
Рассмотрим некоторые решения фазовращателя также на примере Hittite Microwave
(табл. 11.3).
Применяются, как правило, цифровые фазовращатели как более стабильные и
помехозащищенные. Дискрета фазы в 5° обычно бывает достаточно для решения
широкого спектра существующих задач, диапазон перестройки фазы может доходить
до 360°. В зависимости от особенностей реализации приемопередатчика конструк-
тивно можно выбрать и соответствующий вариант исполнения – корпусированный
либо бескорпусной кристалл (для использования в герметизированном объеме).
Структурно (рис. 11.6), любой фазовращатель имеет схожую компоновку с
аттенюатором, рассмотренным выше, включая набор фиксированных элементов
поворота фазы с возможностью управления каждой ячейкой в отдельности.
11.1.4. Предусилители приемопередатчика для АФАР
При выборе элементной базы приемопередатчика для АФАР необходимо рассма-
тривать характеристики двух основных элементов (общий предусилитель и пред-
усилитель передатчика) совокупно, поскольку их параметры довольно схожи. Для
предусилителей основной параметр – это выходной динамический диапазон и коэф-
фициент усиления, однако немаловажны и шумовые характеристики. Сводные ха-
рактеристики таких усилителей производства Hittite Microwave показаны в табл. 11.4.
Как следует из обобщенной структуры ППМ (рис. 11.3), общий предусилитель
призван компенсировать собственные потери двух ключей (около 2–3 дБ), фазовраща-
теля (около 4–8 дБ) и аттенюатора (2–5 дБ) плюс потери в тракте на рассогласование.
В итоге данный усилитель должен компенсировать около 12–18 дБ. Предусилитель
передатчика должен в достаточно линейном режиме поднять уровень сигнала до ве-
личины, необходимой на входе оконечного каскада (каскадов) усилителя мощности.
11.1.5. Малошумящие усилители и усилители мощности для АФАР
В структуре модулей приемопередатчиков для АФАР обычно используют два усили-
теля, выполняющих противоположные задачи: МШУ должен иметь максимально
низкий коэффициент шума при большом коэффициенте усиления и динамическом
диапазоне по входу, усилитель мощности (УМ) должен довести сигнал до необ-
ходимого уровня на входе антенны с максимальным коэффициентом усиления и
минимальными искажениями.
С малошумящими усилителями ситуация довольно простая – большой выбор ком-
понентной базы, конкретные типономиналы этой же фирмы приведены в табл. 11.5.
Однако в последнее время выбор компонентов для усилителя мощности ста-
новится довольно непростой задачей. Более или менее привлекательные модели
попадают под лицензионный контроль иностранных правительств, и получение
данных компонентов в России либо крайне затруднительно, либо вообще невоз-
можно. Поэтому закладывать лицензионные компоненты в новые разработки
нежелательно вследствие возможных трудностей на стадии серийного произ-
водства АФАР.
В относительно низкочастотных диапазонах целесообразно использовать про-
дукцию европейских производителей. В частности, компанию NXP и ее линейку
GaN- и LDMOS-транзисторов (рис. 11.7), не подлежащих лицензированию со
стороны государственных органов США. Перечень их основных характеристик
приведен в табл. 11.6 и 11.7 [7].
Таким образом, не существует каких-то технических проблем к получению вы-
ходной мощности вплоть до 350–500 Вт с одного транзистора в диапазонах L и S.
Отдельного внимания заслуживает линейка GaN-транзисторов (табл. 11.7).
Необходимо упомянуть и такие немаловажные элементы построения ППМ,
как ферритовые изделия для коммутации сигнала и защиты приемника. Антен-
ный циркулятор позволяет перенаправлять пути прохождения сигналов: сигнал
из тракта передатчика направляется строго в антенну, а сигнал из эфира строго
попадает в тракт приемника. В отличие от антенного ключа он не имеет задержки
на переключение и может оперировать сигналами большой мощности, что пока
неподвластно серийным полупроводниковым переключателям.
Следует особо отметить тот факт, что включенный после циркулятора вентиль
по входу приемника выполняет важную функцию защиты выходного каскада пере-
датчика, так как создает необходимое согласование для антенного выхода в режиме
передачи, независимо от того, какой импеданс имеет МШУ и ограничитель перед ним
(обычно тракт приемника отключается от питания в момент передачи и наоборот).
Здесь следует указать изделия второго также широко известного производите-
ля, как TRAK Microwave Ltd. (Шотландия), имеющего возможность предоставить
изделия, уникальные по основным параметрам – вносимые потери и прямая мощ-
ность, – даже из стандартной линейки компонентов [8]. Возможности же получения
необходимых параметров на заказ позволяют решать задачи повышенного уровня
сложности. Из стандартной продукции следует отметить изделия, сведенные в
табл. 11.8. Это вентили исполнения Drop-In, параметры циркуляторов на те же ча-
стоты являются схожими. Кроме того, выпускается продукция в корпусах MICPuck
(микрополосковые в защищенном корпусе), традиционные микрополосковые,
коаксиальные и волноводные (рис. 11.8).
11.1.6. Помехоподавляющие фильтры для АФАР
По мере миниатюризации конструктивных элементов ППМ, увеличения плотно-
сти монтажа, усиления степени взаимного влияния радиоэлементов, увеличения
функциональных возможностей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) неминуемо
усложняется решение задачи подавления электромагнитных помех (ЭМП). Данная
задача является одной из важнейших составляющих в обеспечении электромаг-
нитной совместимости (ЭМС) РЭА. Наряду с технологиями, позволяющими еще
на стадии проектирования минимизировать влияние помех схемотехническими
и конструктивными способами, применяются методы непосредственного по-
давления (фильтрация) паразитных сигналов с помощью помехоподавляющих
фильтров нижних частот (ФНЧ). В структуре АФАР одним из устройств, наиболее
подверженных влиянию ЭМП, является МШУ. Рассматриваемые далее варианты
фильтров предназначены для применения в РЭА СВЧ и обеспечивают фильтрацию
ЭМП на частотах до 18 ГГц [9–11].
В этой связи следует отметить, что компоненты компании API Technologies/
Spectrum Control серий SCI-9900/9909/9945/9980, 54-863-ХХХ и 54-831-XXX наи-
более часто применяются для решения задач ЭМС РЭА СВЧ.
Конструктивной особенностью серий SCI-9900/9909/9945/9980 является их
герметичность, что обеспечивает возможность их применения в высоконадежной
РЭА военного, авиационного и морского назначения. Герметизация фильтров вы-
полнена металлостеклянным спаем (Glass Sealed) с одной стороны и эпоксидным
компаундом (Ероху) с противоположной (рис. 11.9, 11.10). Фильтры изготавлива-
ются в стандартной и модифицированной версиях. В модифицированной версии
герметизация металлостеклянным спаем реализована со стороны фланца. Способ
монтажа фильтров – пайка непосредственно в конструкцию модуля [11, 12]. Основ-
ные характеристики серий SCI-9900/9909/9945/9980 приведены в сводной табл. 11.9.
Серии SCI-9900/9909/9980 относятся к категории миниатюрных фильтров и
находят применение в СВЧ-модулях, в цепях управления, коммутации питания.
Благодаря высокому значению максимального тока (15 А) серия SCI-9945 в основ-
ном применяется в системах вторичного электропитания.
В некоторых случаях, как альтернатива вышеуказанным сериям, применяются
ФНЧ ЭМП серий 54-863-ХХХ и 54-831-XXX (рис. 11.11). Фильтры серий 54-863-ХХХ
и 54-831-ХХХ имеют металлический корпус с резьбой М3 и М4 соответственно,
а значит, для монтажа можно использовать стандартный отечественный инстру-
мент (с метрическим шагом). Герметизация фильтров выполнена эпоксидным
компаундом, что ограничивает их применение в полностью герметичных модулях.
Технические характеристики 54-863-ХХХ и 54-831-ХХХ представлены в табл. 11.10.
Более детально вопросы обеспечения защиты от электромагнитных помех и
обеспечения электромагнитной совместимости применительно к РЛС и средствам
связи будут освещены в гл. 13.
11.2. Отечественная элементная база СВЧ-приборов
для РЛС
11.2.1. Отечественные GaAs активные элементы для приемопередающих
СВЧ-модулей сантиметрового диапазона
Особое значение в модернизации существующей и создании новой СВЧ-
радиоаппаратуры имеют полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТБШ) на
основе GaAs, которые в силу своих физических свойств и особенностей конструк-
ции позволяют решить значительную часть задач при проектировании приемной
и передающей частей СВЧ-трактов систем связи и радиолокации сантиметрового
и миллиметрового диапазонов длин волн. Создание широкой номенклатуры дис-
кретных транзисторов, внедрение отечественной техно логии, адаптированной для
серийного производства, позволило реализовать уникальные параметры радио-
технических систем. На основе таких отечественных GaAs-транзисторов созданы
наземная и бортовая приемопередающая аппаратура спутниковых систем связи и
телевидения в диапазоне частот от 3 до 18 ГГц, радиорелейные линии связи сан-
тиметрового и миллиметрового диапазонов, радиолокационные системы [13–15].
Следует отметить, что проведенные в последние два десятилетия в НПП «Пуль-
сар» работы по проектированию СВЧ-узлов различного назначения в широком
диапазоне частот и достижение высокого уровня технологии GaAs ПТБШ и диодов
позволили создать монолитные интегральные схемы на основе разработанных
активных СВЧ-элементов. Степень достигнутой микроминиатюризации позволила
перейти к проектированию приемопередающего СВЧ-модуля (ППМ) для антенных
систем на основе активной фазированной антенной решетки. Необходимой основой
являлись выработанные разработчиками схемотехнические и конструктивно-тех-
нологические принципы проекти рования.
Так, в табл. 11.11 приведены основные технические характеристики ППМ
3-см диапазона длин волн [13].
Окончательно технические требования к ППМ должны быть сформулирова-
ны для каждой конкретной конструкции антенной решетки. Но даже на основе
представленных выше общих технических характеристик можно сформулировать
основные технические требования к узлам и элементам ППМ, а также выбрать
наиболее приемлемую структурную схему ППМ (рис. 11.12).
Представленный состав ППМ выполняет следующие функции:
– обеспечение СВЧ-параметров передающего тракта (ПРД) – усиление СВЧ-
сигнала до задан ного уровня выходной мощности, изменение фазовых и
амплитудных состояний канала передачи;
– обеспечение СВЧ-параметров приемного тракта (ПРМ) – усиление отра-
женного СВЧ-сигнала при заданном уровне шумов, изменение фазовых и
амплитудных состояний канала приема;
– временную коммутацию каналов приема и передачи с изменением состояния
фазо- и амплитудо-задающих элементов;
– защиту канала приема от высокого уровня падающей мощности;
– преобразование цифрового управляющего сигнала в аналоговый, управля-
ющий СВЧ-элементами.
Проектирование и изготовление активных элементов ППМ должно быть прове-
дено на начальных этапах разработки антенных решеток радиолокационных систем.
Реальные параметры элементной базы определяют степень приближения свойств
реального модуля к идеальной модели, которая используется проектировщиками
систем с АФАР при расчетах параметров антенн. Ошибка в реализации требуемых
амплитудных и фазовых состояний полотна ППМ по апертуре антенны может
привести к искажению диаграммы направленности, ошибке при пе реключении
направления излучения, ошибкам при изменении частоты излучения и при из-
менении окружающей температуры. Все это может уменьшить эффективность
применения радиолокационных систем с АФАР.
В НПП «Пульсар» в рамках проводимых работ по проектированию элементной
базы и ППМ для АФАР 3-сантиметрового диапазона были разработаны и испытаны
в составе опытных сборок элементы СВЧ-тракта на основе GaAs ПТБШ и диодов.
При их проектировании использовалось следующее сочетание схемотех-
нических и конструктивно-технологических элементов проектирования СВЧ
полупровод никовых приборов и узлов:
– составление расчетной модели активного элемента (эквивалентная схема,
модель или матрица СВЧ-параметров) на основе теоретического и экспе-
риментального материала;
– проведение первичного расчета полной схемы инженерной модели функци-
онального узла в широком диапазоне частот;
– проверка эксплуатационных параметров в составе инженерной модели узла
или изделия;
– использование зондового оборудования для отбора элементной базы с за-
данными свойствами;
– корректировка расчетных моделей активных и пассивных элементов по резуль-
татам измерения, проведение окончательного расчета функционального узла.
Успехи компьютерного проектирования гибридных и монолитных интеграль-
ных схем на основе твердотельной элементной базы [13] позволили, используя
компьютерные модели активных приборов, производить большой объем вычис-
лительных работ. С целью проверки применимости создаваемых программных
моделей активных элементов в НПП «Пульсар» была проведена эксперимен тальная
работа по изучению СВЧ-свойств экспериментальных и промышленных образцов
GaAs ПТБШ, разработаны и исследованы гибридные и монолитные интегральные
схемы на основе GaAs-транзисторов и диодов.
На рис. 11.13 представлены примеры топологий таких отечественных монолитных
интегральных схем, разработанных для применения в составе ППМ 3-см диапазона.
Эти монолитные интегральные схемы обеспечивают выполнение управляющих
функций изменения амплитудных и фазовых состояний СВЧ-трактов приема и
передачи.
Фазовращатели обеспечивают дискретное переключение фазы коэффициента
передачи на 180° и 90° и плавное изменение фазы в пределах от 0 до 90°. Активными
элементами являются GaAs p-i-n-диоды в дискретных фазовращателях и обратно-
смещенные GaAs-диоды Шоттки в плавных фазовращателях. Время установления
фазовых состояний составляет единицы наносекунд.
Так, в двухканальном переключателе были применены переключательные GaAs
p-i-n-диоды. Время переключения СВЧ-сигнала составляет единицы наносекунд.
МИС управляемого усилителя [14] представляет собой GaAs двухкаскадный
усилитель с применением во втором каскаде двухзатворного поле вого транзистора.
При проектировании управляемого усилителя решалась задача, вытекающая
из условий применения ППМ АФАР, – изменение коэффициента пе редачи уси-
лителя при неизменности его фазы. Расчеты и практика показали, что варианты
управляемых усилителей, выполненных по гибридной техно логии, в необходимой
полосе частот не обладают в достаточной мере стабильностью фазы изменяющегося
коэффициента передачи.
При расчете СВЧ-параметров МИС применялись методы компьютерного
проектирования. Активные элементы, предназначенные для согласования импе-
дансов разделения, и элементы СВЧ-цепей и цепей подачи питания и управления
выбирались из условия реализуемости в составе МИС.
По используемым оригинальным моделям был выбран режим транзисторов
в первом и втором каскаде, подобрана ширина затворов транзисторов, а затем в
оболочке программы MIMCAD проведен расчет согласующих цепей и всей элек-
трической схемы.
Фазостабилизирующие свойства определялись подбором ширины затвора
транзисторов первого и второго каскадов, межкаскадным согласованием и СВЧ-
импедансом, подключаемым к управляющему электроду. Результаты расчета режи-
мов, отличающихся по усилению на 10 дБ, представлены в табл. 11.12.
В последней графе таблицы приведен коэффициент шума, нормирование зна-
чения которого необходимо при применении усилителя в канале приема.
Как известно, в системах радиолокации в условиях реальной работы вход при-
емного устройства, помимо полезного обрабатываемого сигнала, подвергается
воздействию сигналов, которые характеризуются как синхронные (как правило,
внутрисистемные, с известным уровнем мощности и временным положением) и
несинхронные (внешние, неопределенные) помехи. Уровень мощности таких помех
может достигать значений, приводящих как к временной потере работоспособности,
так и к выходу из строя входных устройств приемного канала.
Высокая ч
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЧ-ПРИБОРЫ
ДЛЯ РЛС
11.1. Элементная база приемопередающих модулей
для фазированных антенных решеток
11.1.1. Аттенюаторы для приемопередающих модулей
активных фазированных антенных решеток
Как показано в гл. 1, структура современного радиолокатора мало отличается от
систем, разработанных на заре становления радиолокации, – антенная система,
приемник, передатчик, электронные системы управления и обработки информации.
Развитие техники в этой области двигалось в направлении усовершенствования
каждой составной части параллельно. Однако именно развитию антенных систем
и постепенному интегрированию конструкции антенны с трактами приемника и
передатчика уделялось особое внимание. В совокупности с совершенствованием
элементной базы и переходом к использованию в радиолокационных целях все
более высоких частот в широкое применение вошли фазированные антенные
решетки – антенны, состоящие из группы излучателей, фазой сигнала в которых
можно управлять независимо, формируя эффективное излучение антенны в целом
на одном желаемом направлении, отличном от направления эффективного излу-
чения отдельного элемента. Таким образом, появилась возможность эффективно
управлять лучом антенны не механическим, а электронным способом.
На рис. 11.1 схематично [1] показан принцип формирования фазового фронта
и направление суммарного луча антенной решетки перпендикулярно этой плоско-
сти равных фаз: входной сигнал делится на множество каналов, соответствующих
количеству элементов решетки, сигнал в каждом канале получает свое фазовое сме-
щение, необходимое для определенного положения лучей решетки в пространстве.
В гл. 1 мы упоминали два основных вида систем на фазированных антенных
решетках – пассивные антенные решетки и активные. Основное различие таково:
в пассивных антенных решетках имеется один мощный приемопередатчик, чей
сигнал делится на все каналы, а в активных фазированных решетках (АФАР) канал
каждого элемента решетки имеет свой собственный приемопередатчик. Каждая из
концепций имеет свои плюсы и минусы: пассивные решетки значительно дешевле,
но требуют применения очень мощных источников сигнала, которым, в свою оче-
редь, необходима сложная схема питания, охлаждения. Активные решетки имеют
огромный запас по надежности – выход из строя одного или нескольких приемо-
передатчиков не приводит к отказу всей системы, но количество используемых
компонентов и сложность управления, синхронизации, в конце концов, стоимость
устройства превышает стоимость пассивной решетки на порядки.
Однако развитие современной базы СВЧ-электроники позволяет системам на
АФАР стремительно вытеснять пассивные решетки не только с уже давно занятых
позиций в авиационной и военной технике, но и в сугубо гражданских применени-
ях – подповерхностном зондировании Земли, радиолокаторах систем организации
воздушного движения, космических программах и т.д.
Основным элементом АФАР является приемопередающий модуль (ППМ).
В современных системах зачастую антенна отдельного элемента решетки является
частью конструктива ППМ. Пример внешнего вида современного ППМ показан
на рис. 11.2 [1].
По архитектуре, конструкции и схемотехнике приемопередающие модули могут
реализовываться различными способами, но есть возможность обобщенного пред-
ставления, составные части такой схемы, так или иначе, присутствуют во всех из них.
В этом разделе кратко рассмотрим только эти элементы. Для конкретизации при-
меров построения ППМ определим круг компонентов, которые позволят решить
задачу конструирования АФАР в самых популярных диапазонах частот:
– L – 1–2 ГГц;
– S – 2–4 ГГц;
– X – 8–12 ГГц.
Обобщенная структурная схема ППМ для АФАР приведена на рис. 11.3 [2].
Первый такой базовый элемент – это аттенюатор.
Аттенюатор — элемент, общий для трактов приемника и передатчика, он пред-
назначен для задания дополнительной вариативности сигналов не только по фазе,
но и по амплитуде — позволяет уменьшить влияние боковых лепестков диаграммы,
устранить неидентичность коэффициента передачи отдельных приемопередатчиков.
Как правило, используется цифровой аттенюатор, так как аналоговый аттенюатор
будет сильно зависеть в своих характеристиках от качества формирования управля-
ющего сигнала, что практически в настоящее время обеспечить достаточно сложно.
Ниже рассмотрим ряд современных технических решений таких компонентов
на примере продукции американской компании Hittite Microwave, которая заре-
комендовала себя на мировом рынке в качестве одного из несомненных лидеров-
изготовителей практически всех компонентов СВЧ-диапазона, необходимых для
построения современных СВЧ-устройств для радиолокации и связи.
В период 2008–2010 гг. появилась тенденция к созданию широкополосных
цифровых аттенюаторов, перекрывающих несколько частотных диапазонов, по-
зволяя инженерам унифицировать свои разработки под разные применения [3–6].
Следующий важный критерий выбора аттенюатора – диапазон ослабления и
минимальный шаг. Современные решения предоставляют возможность получить
более 30 и 0,5 дБ соответственно (табл. 11.1).
В частности, как видно из табл. 11.1, один из типовых представителей со-
временных цифровых аттенюаторов HMC424LP3 представляет собой линейку
фиксированных аттенюаторов с возможностью управления каждой секцией по-
следовательным или параллельным цифровым кодом (рис. 11.4).
11.1.2. Двухполюсные переключатели для АФАР
На рис. 11.5 представлена упрощенная структура переключателя НМС232 этой
фирмы. Здесь имеется три переключателя (ключа). Ключ 1 применяется для раз-
деления основного сигнала на тракт приемника или передатчика, оставшиеся два
(ключ 2 и 3) используются для подключения однонаправленных элементов (имею-
щих строгое направление «вход-выход») – общего предусилителя и фазовращателя
в цепи приемника или передатчика на выбор.
Выбор конкретного типономинала переключателя осуществляется прежде всего
по вносимым потерям и по развязке между каналами. Также следует уделять вни-
мание времени переключения. Современные переключатели имеют возможность
осуществления полного перехода от режима приема к режиму передачи за единицы
наносекунд, что существенно уменьшает мертвую зону видимости радиолокатора.
Но надо заметить, что для такого времени переключения обычно требуется орга-
низация отрицательного напряжения управления. Это не так сложно реализовать,
что, однако, приводит к увеличению количества компонентов в схеме устройства.
11.1.3. Фазовращатели для АФАР
Фазовращатель – это основной элемент любого приемопередатчика АФАР (рис. 11.6),
поскольку от него по большей части и будет зависеть качество работы всей системы.
Рассмотрим некоторые решения фазовращателя также на примере Hittite Microwave
(табл. 11.3).
Применяются, как правило, цифровые фазовращатели как более стабильные и
помехозащищенные. Дискрета фазы в 5° обычно бывает достаточно для решения
широкого спектра существующих задач, диапазон перестройки фазы может доходить
до 360°. В зависимости от особенностей реализации приемопередатчика конструк-
тивно можно выбрать и соответствующий вариант исполнения – корпусированный
либо бескорпусной кристалл (для использования в герметизированном объеме).
Структурно (рис. 11.6), любой фазовращатель имеет схожую компоновку с
аттенюатором, рассмотренным выше, включая набор фиксированных элементов
поворота фазы с возможностью управления каждой ячейкой в отдельности.
11.1.4. Предусилители приемопередатчика для АФАР
При выборе элементной базы приемопередатчика для АФАР необходимо рассма-
тривать характеристики двух основных элементов (общий предусилитель и пред-
усилитель передатчика) совокупно, поскольку их параметры довольно схожи. Для
предусилителей основной параметр – это выходной динамический диапазон и коэф-
фициент усиления, однако немаловажны и шумовые характеристики. Сводные ха-
рактеристики таких усилителей производства Hittite Microwave показаны в табл. 11.4.
Как следует из обобщенной структуры ППМ (рис. 11.3), общий предусилитель
призван компенсировать собственные потери двух ключей (около 2–3 дБ), фазовраща-
теля (около 4–8 дБ) и аттенюатора (2–5 дБ) плюс потери в тракте на рассогласование.
В итоге данный усилитель должен компенсировать около 12–18 дБ. Предусилитель
передатчика должен в достаточно линейном режиме поднять уровень сигнала до ве-
личины, необходимой на входе оконечного каскада (каскадов) усилителя мощности.
11.1.5. Малошумящие усилители и усилители мощности для АФАР
В структуре модулей приемопередатчиков для АФАР обычно используют два усили-
теля, выполняющих противоположные задачи: МШУ должен иметь максимально
низкий коэффициент шума при большом коэффициенте усиления и динамическом
диапазоне по входу, усилитель мощности (УМ) должен довести сигнал до необ-
ходимого уровня на входе антенны с максимальным коэффициентом усиления и
минимальными искажениями.
С малошумящими усилителями ситуация довольно простая – большой выбор ком-
понентной базы, конкретные типономиналы этой же фирмы приведены в табл. 11.5.
Однако в последнее время выбор компонентов для усилителя мощности ста-
новится довольно непростой задачей. Более или менее привлекательные модели
попадают под лицензионный контроль иностранных правительств, и получение
данных компонентов в России либо крайне затруднительно, либо вообще невоз-
можно. Поэтому закладывать лицензионные компоненты в новые разработки
нежелательно вследствие возможных трудностей на стадии серийного произ-
водства АФАР.
В относительно низкочастотных диапазонах целесообразно использовать про-
дукцию европейских производителей. В частности, компанию NXP и ее линейку
GaN- и LDMOS-транзисторов (рис. 11.7), не подлежащих лицензированию со
стороны государственных органов США. Перечень их основных характеристик
приведен в табл. 11.6 и 11.7 [7].
Таким образом, не существует каких-то технических проблем к получению вы-
ходной мощности вплоть до 350–500 Вт с одного транзистора в диапазонах L и S.
Отдельного внимания заслуживает линейка GaN-транзисторов (табл. 11.7).
Необходимо упомянуть и такие немаловажные элементы построения ППМ,
как ферритовые изделия для коммутации сигнала и защиты приемника. Антен-
ный циркулятор позволяет перенаправлять пути прохождения сигналов: сигнал
из тракта передатчика направляется строго в антенну, а сигнал из эфира строго
попадает в тракт приемника. В отличие от антенного ключа он не имеет задержки
на переключение и может оперировать сигналами большой мощности, что пока
неподвластно серийным полупроводниковым переключателям.
Следует особо отметить тот факт, что включенный после циркулятора вентиль
по входу приемника выполняет важную функцию защиты выходного каскада пере-
датчика, так как создает необходимое согласование для антенного выхода в режиме
передачи, независимо от того, какой импеданс имеет МШУ и ограничитель перед ним
(обычно тракт приемника отключается от питания в момент передачи и наоборот).
Здесь следует указать изделия второго также широко известного производите-
ля, как TRAK Microwave Ltd. (Шотландия), имеющего возможность предоставить
изделия, уникальные по основным параметрам – вносимые потери и прямая мощ-
ность, – даже из стандартной линейки компонентов [8]. Возможности же получения
необходимых параметров на заказ позволяют решать задачи повышенного уровня
сложности. Из стандартной продукции следует отметить изделия, сведенные в
табл. 11.8. Это вентили исполнения Drop-In, параметры циркуляторов на те же ча-
стоты являются схожими. Кроме того, выпускается продукция в корпусах MICPuck
(микрополосковые в защищенном корпусе), традиционные микрополосковые,
коаксиальные и волноводные (рис. 11.8).
11.1.6. Помехоподавляющие фильтры для АФАР
По мере миниатюризации конструктивных элементов ППМ, увеличения плотно-
сти монтажа, усиления степени взаимного влияния радиоэлементов, увеличения
функциональных возможностей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) неминуемо
усложняется решение задачи подавления электромагнитных помех (ЭМП). Данная
задача является одной из важнейших составляющих в обеспечении электромаг-
нитной совместимости (ЭМС) РЭА. Наряду с технологиями, позволяющими еще
на стадии проектирования минимизировать влияние помех схемотехническими
и конструктивными способами, применяются методы непосредственного по-
давления (фильтрация) паразитных сигналов с помощью помехоподавляющих
фильтров нижних частот (ФНЧ). В структуре АФАР одним из устройств, наиболее
подверженных влиянию ЭМП, является МШУ. Рассматриваемые далее варианты
фильтров предназначены для применения в РЭА СВЧ и обеспечивают фильтрацию
ЭМП на частотах до 18 ГГц [9–11].
В этой связи следует отметить, что компоненты компании API Technologies/
Spectrum Control серий SCI-9900/9909/9945/9980, 54-863-ХХХ и 54-831-XXX наи-
более часто применяются для решения задач ЭМС РЭА СВЧ.
Конструктивной особенностью серий SCI-9900/9909/9945/9980 является их
герметичность, что обеспечивает возможность их применения в высоконадежной
РЭА военного, авиационного и морского назначения. Герметизация фильтров вы-
полнена металлостеклянным спаем (Glass Sealed) с одной стороны и эпоксидным
компаундом (Ероху) с противоположной (рис. 11.9, 11.10). Фильтры изготавлива-
ются в стандартной и модифицированной версиях. В модифицированной версии
герметизация металлостеклянным спаем реализована со стороны фланца. Способ
монтажа фильтров – пайка непосредственно в конструкцию модуля [11, 12]. Основ-
ные характеристики серий SCI-9900/9909/9945/9980 приведены в сводной табл. 11.9.
Серии SCI-9900/9909/9980 относятся к категории миниатюрных фильтров и
находят применение в СВЧ-модулях, в цепях управления, коммутации питания.
Благодаря высокому значению максимального тока (15 А) серия SCI-9945 в основ-
ном применяется в системах вторичного электропитания.
В некоторых случаях, как альтернатива вышеуказанным сериям, применяются
ФНЧ ЭМП серий 54-863-ХХХ и 54-831-XXX (рис. 11.11). Фильтры серий 54-863-ХХХ
и 54-831-ХХХ имеют металлический корпус с резьбой М3 и М4 соответственно,
а значит, для монтажа можно использовать стандартный отечественный инстру-
мент (с метрическим шагом). Герметизация фильтров выполнена эпоксидным
компаундом, что ограничивает их применение в полностью герметичных модулях.
Технические характеристики 54-863-ХХХ и 54-831-ХХХ представлены в табл. 11.10.
Более детально вопросы обеспечения защиты от электромагнитных помех и
обеспечения электромагнитной совместимости применительно к РЛС и средствам
связи будут освещены в гл. 13.
11.2. Отечественная элементная база СВЧ-приборов
для РЛС
11.2.1. Отечественные GaAs активные элементы для приемопередающих
СВЧ-модулей сантиметрового диапазона
Особое значение в модернизации существующей и создании новой СВЧ-
радиоаппаратуры имеют полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТБШ) на
основе GaAs, которые в силу своих физических свойств и особенностей конструк-
ции позволяют решить значительную часть задач при проектировании приемной
и передающей частей СВЧ-трактов систем связи и радиолокации сантиметрового
и миллиметрового диапазонов длин волн. Создание широкой номенклатуры дис-
кретных транзисторов, внедрение отечественной техно логии, адаптированной для
серийного производства, позволило реализовать уникальные параметры радио-
технических систем. На основе таких отечественных GaAs-транзисторов созданы
наземная и бортовая приемопередающая аппаратура спутниковых систем связи и
телевидения в диапазоне частот от 3 до 18 ГГц, радиорелейные линии связи сан-
тиметрового и миллиметрового диапазонов, радиолокационные системы [13–15].
Следует отметить, что проведенные в последние два десятилетия в НПП «Пуль-
сар» работы по проектированию СВЧ-узлов различного назначения в широком
диапазоне частот и достижение высокого уровня технологии GaAs ПТБШ и диодов
позволили создать монолитные интегральные схемы на основе разработанных
активных СВЧ-элементов. Степень достигнутой микроминиатюризации позволила
перейти к проектированию приемопередающего СВЧ-модуля (ППМ) для антенных
систем на основе активной фазированной антенной решетки. Необходимой основой
являлись выработанные разработчиками схемотехнические и конструктивно-тех-
нологические принципы проекти рования.
Так, в табл. 11.11 приведены основные технические характеристики ППМ
3-см диапазона длин волн [13].
Окончательно технические требования к ППМ должны быть сформулирова-
ны для каждой конкретной конструкции антенной решетки. Но даже на основе
представленных выше общих технических характеристик можно сформулировать
основные технические требования к узлам и элементам ППМ, а также выбрать
наиболее приемлемую структурную схему ППМ (рис. 11.12).
Представленный состав ППМ выполняет следующие функции:
– обеспечение СВЧ-параметров передающего тракта (ПРД) – усиление СВЧ-
сигнала до задан ного уровня выходной мощности, изменение фазовых и
амплитудных состояний канала передачи;
– обеспечение СВЧ-параметров приемного тракта (ПРМ) – усиление отра-
женного СВЧ-сигнала при заданном уровне шумов, изменение фазовых и
амплитудных состояний канала приема;
– временную коммутацию каналов приема и передачи с изменением состояния
фазо- и амплитудо-задающих элементов;
– защиту канала приема от высокого уровня падающей мощности;
– преобразование цифрового управляющего сигнала в аналоговый, управля-
ющий СВЧ-элементами.
Проектирование и изготовление активных элементов ППМ должно быть прове-
дено на начальных этапах разработки антенных решеток радиолокационных систем.
Реальные параметры элементной базы определяют степень приближения свойств
реального модуля к идеальной модели, которая используется проектировщиками
систем с АФАР при расчетах параметров антенн. Ошибка в реализации требуемых
амплитудных и фазовых состояний полотна ППМ по апертуре антенны может
привести к искажению диаграммы направленности, ошибке при пе реключении
направления излучения, ошибкам при изменении частоты излучения и при из-
менении окружающей температуры. Все это может уменьшить эффективность
применения радиолокационных систем с АФАР.
В НПП «Пульсар» в рамках проводимых работ по проектированию элементной
базы и ППМ для АФАР 3-сантиметрового диапазона были разработаны и испытаны
в составе опытных сборок элементы СВЧ-тракта на основе GaAs ПТБШ и диодов.
При их проектировании использовалось следующее сочетание схемотех-
нических и конструктивно-технологических элементов проектирования СВЧ
полупровод никовых приборов и узлов:
– составление расчетной модели активного элемента (эквивалентная схема,
модель или матрица СВЧ-параметров) на основе теоретического и экспе-
риментального материала;
– проведение первичного расчета полной схемы инженерной модели функци-
онального узла в широком диапазоне частот;
– проверка эксплуатационных параметров в составе инженерной модели узла
или изделия;
– использование зондового оборудования для отбора элементной базы с за-
данными свойствами;
– корректировка расчетных моделей активных и пассивных элементов по резуль-
татам измерения, проведение окончательного расчета функционального узла.
Успехи компьютерного проектирования гибридных и монолитных интеграль-
ных схем на основе твердотельной элементной базы [13] позволили, используя
компьютерные модели активных приборов, производить большой объем вычис-
лительных работ. С целью проверки применимости создаваемых программных
моделей активных элементов в НПП «Пульсар» была проведена эксперимен тальная
работа по изучению СВЧ-свойств экспериментальных и промышленных образцов
GaAs ПТБШ, разработаны и исследованы гибридные и монолитные интегральные
схемы на основе GaAs-транзисторов и диодов.
На рис. 11.13 представлены примеры топологий таких отечественных монолитных
интегральных схем, разработанных для применения в составе ППМ 3-см диапазона.
Эти монолитные интегральные схемы обеспечивают выполнение управляющих
функций изменения амплитудных и фазовых состояний СВЧ-трактов приема и
передачи.
Фазовращатели обеспечивают дискретное переключение фазы коэффициента
передачи на 180° и 90° и плавное изменение фазы в пределах от 0 до 90°. Активными
элементами являются GaAs p-i-n-диоды в дискретных фазовращателях и обратно-
смещенные GaAs-диоды Шоттки в плавных фазовращателях. Время установления
фазовых состояний составляет единицы наносекунд.
Так, в двухканальном переключателе были применены переключательные GaAs
p-i-n-диоды. Время переключения СВЧ-сигнала составляет единицы наносекунд.
МИС управляемого усилителя [14] представляет собой GaAs двухкаскадный
усилитель с применением во втором каскаде двухзатворного поле вого транзистора.
При проектировании управляемого усилителя решалась задача, вытекающая
из условий применения ППМ АФАР, – изменение коэффициента пе редачи уси-
лителя при неизменности его фазы. Расчеты и практика показали, что варианты
управляемых усилителей, выполненных по гибридной техно логии, в необходимой
полосе частот не обладают в достаточной мере стабильностью фазы изменяющегося
коэффициента передачи.
При расчете СВЧ-параметров МИС применялись методы компьютерного
проектирования. Активные элементы, предназначенные для согласования импе-
дансов разделения, и элементы СВЧ-цепей и цепей подачи питания и управления
выбирались из условия реализуемости в составе МИС.
По используемым оригинальным моделям был выбран режим транзисторов
в первом и втором каскаде, подобрана ширина затворов транзисторов, а затем в
оболочке программы MIMCAD проведен расчет согласующих цепей и всей элек-
трической схемы.
Фазостабилизирующие свойства определялись подбором ширины затвора
транзисторов первого и второго каскадов, межкаскадным согласованием и СВЧ-
импедансом, подключаемым к управляющему электроду. Результаты расчета режи-
мов, отличающихся по усилению на 10 дБ, представлены в табл. 11.12.
В последней графе таблицы приведен коэффициент шума, нормирование зна-
чения которого необходимо при применении усилителя в канале приема.
Как известно, в системах радиолокации в условиях реальной работы вход при-
емного устройства, помимо полезного обрабатываемого сигнала, подвергается
воздействию сигналов, которые характеризуются как синхронные (как правило,
внутрисистемные, с известным уровнем мощности и временным положением) и
несинхронные (внешние, неопределенные) помехи. Уровень мощности таких помех
может достигать значений, приводящих как к временной потере работоспособности,
так и к выходу из строя входных устройств приемного канала.
Высокая ч