CC BY
151
Статья отозвана (ретрагирована) в связи с вновь открывшимися обстоятельствами: отсутствует тот, кто достоин быть автором - А.В. Шишлов, О.А. Грушко, Е.Н. Егоров
Авиационная и ракетно-космическая техника
УДК 621.396.67
Сибирский журнал науки и технологий. 2017. Т. 18, № 3. С. 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАБОЧЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛ АКТИВНЫХ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК
И. Н. Карцан1*, С. В. Ефремова1, Е. А. Шангина2, А. И. Логачева3, Е. С. Горев
1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф.
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский р; 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Реш£ Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул.
3Штаб материально-технического обеспечения Вооруженных Сил Росси
Российская Федерация, 119160, г. Москва, переулок Большой Коловс -
4Войсковая часть 40056 Российская Федерация, 125413, г. Москва, ул. Онежская, 26а *E-mail: kartsan2003@mail.ru
Особенностью настоящего времени является переход к созданию многоф ункциональных комплексов наземных и бортовых радиотехнических систем на основе новых технически, решений, повышающих уровень функциональной интеграции аппаратуры, в том числе путем внедрения в них активных фазированных антенных решеток (АФАР). В зависимости от решаемых задач такие антенные системы содержат от сотен до нескольких тысяч активных модулей (АМ). В связи с этим вероятность выхода из строя (отказов) АМ, по сравнению с пассивной фазированной антенной решеткой, повышается. Соответственно, встают вопросы обеспечения работоспособности АФАР в подобных условиях. Ррассмотрено влияние рабочей температуры на характеристики излучения активной фазированной антенной решетки, размещаемой на космическом аппарате.
Ключевые слова: активная фазированная антенная р^Летка, отказы активных элементов, диаграмма направленности.
Siberian Journal of Science and Technology. 2017, Vol. 18, No. 3, P. 575-579
OPERATING T ON THE RADI
I. N. Kartsan1
TURE AND ITS INFLUENCE PHASED ANTENNA ARRAYS
. A. Shangina2, A. I. Logacheva3, Y. S. Gorev4
1Reshetnev Sibe 31, Krasnoyarsk v Rab 2JSC "Ac dem 52, Lenin S
tate University of Science and Technology hy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation F. Reshetnev "Information Satellite Systems" znogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation
Headquarters of ma^ "<al and technical support of the Armed Forces of the Russian Federation 6,Bolshoj Kozlovsky lane, Moscow, 119160, Russian Federation "Military Unit Office 40056 26^ Onezhskaya Str., Moscow, 125413, Russian Federation E-mail: kartsan2003@mail.ru
A current mainstr complexes, whi. boosts the fun' lona, hundreds to
henomenon is the design of ground based and onboard multifunctional radio electronics :d on new technical solutions, including the application of active phased antenna arrays. This egration of the system equipment. Depending on the tasks, such antenna systems contain from sever a ' thousand active modules. In this regard, the probability of failure of the active module drastically increases i. parison with the passive phased array. In these circumstances, ensuring the efficiency of active phased antenna arrays is a paramount task. In this paper we discuss the influence of operating temperature on the radiation characteristics in active phased antenna arrays onboard spacecraft.
eywords: active phased antenna array, failures of active elements, radiation pattern
Введение. Целесообразность построения того или иного вида передающего устройства во многом обусловливается его энергетическими характеристиками. Как правило, подобное устройство, особенно в системах с ограниченными источниками энергии, должно обеспечивать заданную излучаемую мощность при максимуме коэффициента полезного действия (КПД).
Активные фазированные антенные решетки (АФАР) описываются в основном теми же параметрами, что и антенны других типов. Они также обладают диаграммой направленности (ДН), уровнем боковых лепестков, коэффициентом направленного действия, коэффициентом усиления (КУ), излучаемой мощностью, диапазоном рабочих частот и другими величинами. Но, как правило, обычно используемый параметр -коэффициент усиления фактически непригоден для АФАР из-за наличия в схеме антенны активных элементов [1].
АФАР как передающее устройство не просто генерирует и излучает мощность в определенном направлении, но и максимально концентрирует ее в заданной части пространства, т. е. гарантирует максимум КУ [1].
В отличие от пассивных, активным фазированным антенным решеткам присущи дополнительные источники погрешностей сигналов возбуждения излучателей за счет присутствия в каждом канале решетки активных модулей (АМ), характеристики которых в каждый момент времени различны из-за воздействия дестабилизирующих факторов и непохожести их электрических параметров. Возникающие при этом искажения энергетического спектра ухудшают параметры радиоэлектронных комплексов и в первую оч редь тех, где критериями качества генериру и излучаемых сигналов являются высокая сте тет монохроматичности колебаний и низкий уро ве нь бочного излучения. Все рассмотренные вы ^е бст оя-тельства определяют основные отли* расчета характеристик АФАР от иных типов ант енн [1, 2]
Важным условием при создании современных спутниковых систем на базе АФАР являет 'я конечная стоимость продукции. Способом ре пения такой проблемы является применение и 'тенсивно развивающейся теории численных методов^ использование новых технологий проектирования и изготовления, а также устройств СВЧ, те иовоп обмена и несущей конструкции АФАР. При это м в классической поста-
новке задача синтеза собе реализации АФА постановки новых, раметрического и кон определят требу При этом АФАР малых антенных десятков до нескол модулей, которые
Сегодня режимы работы АФАР, размещаемых на космических аппаратах как ближнего, так и даль космоса, в значительной степени зависят от реж работы систем обеспечения теплового (СОТР), так как известно, что работа таких систем, как АФАР, связана с необходимостью о значительных плотностей потоков теплоты при действии внешних факторов космического пространства и собственных факторов работы устройств АФАР в режимах с высокими тепловыми нагрузками. Функционирование, надежность и управление комплектом электронных блоков (КЭб- АФАР сущест-
ые позволя
венно зависит от СОТР задачу температурной режимами КЭБ. Однако привести к отказам передающих) АМ КЭ
ленности АФАР в с отказавшими управлять лучом компенсацион Электроди чения АФАР дае
зволяют решить зации и управления оте СОТР могут их (или приемно-характеристик направ-ых режимах работы волит более эффективно ровании, заранее заложить змы [3-5]. еский расчёт характеристик излу-озможность оценить изменение
характеристик излучения АФАР при отказах каналов усиления, а также выявить влияние фазовых ошибок на характеристики излучения. Таким образом, в результате испытаний АФАР были получены экспериментальные данные, сравнение с которыми результатов расчётов позволяет дополнительно оценить адекват-
5 -ость полученных теоретических результатов.
Изменения характеристик АФАР, обусловленные отказами модулей, могут быть описаны статистиче-ми методами. Средняя ДН по мощности системы из N излучателей имеет вид
^ (к, ко)
■\/(к )|
X 1п (1+Ап) в1 (к - ко,г - е ф
(1)
где к - волновой вектор, направленный в точку наблюдения, ко - волновой вектор, направленный
дает ответа на вопрос о спо-вызывает необходимость тически значимых задач па-ктивного синтеза, которые и нечные характеристики АФАР. дставляет собой совокупность стем с содержанием от нескольких ьких сотен и даже тысяч активных с некоторой вероятностью могут выходть из троя [3]. В подобных условиях работы, тем более на орбите, когда нет возможности провести физическую замену отказавшего канала, необходимо четко пр дставлять, к каким последствиям приведёт отказ "дного, двух и даже 20 % каналов усиления.
в точку фазирования системы, /(к)| - средняя ДН
излучателя по мощности, гп - вектор, задающий положение п-го излучателя, 1п - детерминированная часть амплитуды возбуждения п-го излучателя; Ап, Фп - случайные амплитудная и фазовая ошибки возбуждения п-го излучателя. Соотношение позволяет с помощью усреднения по ансамблю реализаций случайных ДН АФАР найти зависимости ее параметров от параметров случайных амплитудно-фазовых ошибок [6-8].
Если амплитудные и фазовые ошибки в каналах независимы и малы, т. е. имеют нулевые средние
значения и малую дисперсию а = |А^ + Ф2п | << 1,
а средние значения амплитуд одинаковы (1п = 1), то деградация параметров АФАР описывается приведенными ниже приближенными соотношениями.
2
2
2
п=1
Коэффициент усиления определяется соотношением
G = G0 -AG;
Go е-а« Go (1 -а).
(2)
Средняя погрешность установки максимума ДН 56, отнесенная к ширине ДН Д605 по уровню половинной мощности (для случая квадратной решетки) выражается формулой
56 / Д605 и 0,37а/N.
(3)
Распределение уровня боковых лепестков ДН подчиняется обобщенному релеевскому закону. Средний уровень боковых лепестков ДН описывается соотношением
/2 = /б2о +аЛ/N,
(4)
/ = /бо + W а^ / 2N.
Характерно, что деградация КУ зависит только от а, а боковое излучение, вызванное случай? ошибками, уменьшается с увеличением N. Так симальный уровень первого бокового решетки с прямоугольной апертурой, равны1 при отсутствии ошибок (а = 0), повышае ся . ри наличии ошибки а = 0,3 до -8,8 дБ в решш&е^ N =200 и только до -12,7 дБ в решетке с N = 20000. Для тех
где /б0 - относительное значение какого-либо бокового лепестка по мощности при отсутствии амплитудно-фазовых ошибок, /б2 - среднее значение того же лепестка при наличии ошибок. В отдельной реализации уровень бокового лепестка может быть и больше. С вероятностью, практически равной единице, максимальный уровень бокового излучения не превосходит величины
' (5)
по всем элемент; фазовых ошибок долю вышедш: интенсивност
становки ширины
спользованы дулей из строя
же параметров относительная погре максимума ДН составляет пример» луча при N = 200 и только 0,1 % при Соотношения (2)-(4) могут бы и для оценки влияния выхода на характеристики АФАР [11].
В статистической теории антенных решеток показано, что выход из стро п слу айно расположенных элементов в решетке тз N элементов можно считать эквивалентным действию равномерно распределенных
случайных амплитудно-ей а = пШ [12]. Выражая элементов как функцию получим:
а = а (t) = пЩ / N = 1 - e-Xt «X t = t / T0
(7)
В 80 % реализаций уровень бокового лепестка не превышает величины
/2 = /б0 ^ая/2N.
Для оценки уровня первого бокового лепестк АФАР с квадратной апертурой при равноамплитуд ном возбуждении излучателей в формулах сле принять /б0 = 0,217.
На рисунке приведены зависимости ДО /22 для первого бокового лепестка от вели персии а и числа излучателей N [9; 10].
Следует иметь в виду, что выход из строя модулей передающей АФАР приводит не только к ухудшению коэффициента усиления и диаграммы направленности, но и к снижению излучаемой мощности, поэтому потенциал передающей АФАР при п << N описывается следующим соотношением:
П = PG = П0(1 -а)е-а « « По(1 -а)2 = По (1 -1/70)2
(8)
Наработка до отказа Т0 современных транзисторных передающих модулей АФАР Х-диапазона доходит до 100 000 ч (более 11 лет). Приемные модули, выполненные по гибридной технологии, имеют наработку в 2-3 раза больше, а приемные модули на интегральных схемах СВЧ могут иметь Т0 > 1 000 000 ч, т. е. на порядок больше.
-/ 2
дБ /N
А
-aG, дБ
-2,0 12 - ^====-—/б f2 - 2,0
- 1,5 10- /2 - 1,5
/ 2
-1,0 8- -1,0
-0,5 6- -0,5
—> ——Ti i i i ->
0,1
0,2
а
б
Зависимости характеристик АФАР от дисперсии амплитудно-фазовых ошибок а и числа излучателей: а - для N = 50; б - для N = 200
Dependence of the characteristics of active phased antenna
arrays on the dispersion of the amplitude-phase errors а and the number of radiators: a - for N = 50; b - for N = 200
Из соотношений (7), (8) следует, что передающая АФАР, имеющая N = 20 000 модулей с Т0 = 100 000 ч, за один год работы без ремонта (около 8600 ч) претерпит следующие изменения параметров: снижение КУ и эффективной площади апертуры - примерно 0,4 дБ, уменьшение потенциала - примерно 0,8 дБ, максимальный рост первого бокового лепестка -не более 0,3 дБ, максимальная погрешность установки луча - примерно 0,2 % (здесь не учтена погрешность установки, связанная с дискретностью фазовращателей и погрешностями калибровки каналов решетки) [14].
Приведенные параметры достижимы при условии, что правильно выбран тепловой режим работы мощных транзисторов. Это обеспечивается за счет организации оптимального режима их работы на пониженном уровне мощности, рационального выбора материалов корпуса и его конструкции, обеспечивающей максимальный отвод тепла от кристаллов, достаточного расхода охлаждающего воздуха или жидкости в системе охлаждения.
Практически, модули, находящиеся у краев апертуры, за счет теплопередачи в окружающую среду имеют более низкую температуру, чем модули, расположенные в центральной части. Например, в литературе приведены результаты испытаний 17-элементной активной решетки с воздушным охлаждением [13-15]. Потребляемая от источника мощность постоянного тока в каждом канале составляет 9 Вт. В отсутствие принудительного охлаждения центральные элементы решетки имеют температуру примерно 100 °С, крайние - 60 °С. При включенном принудительном обдуве эти температуры составляют 40 и 20 °С соответственно.
Заключение. Таким образом, повышенная те: ратура в центральной части апертуры приводи к более высокой интенсивности отказов. Это очередь, приводит к более высокому росту излучения.
Для более точного описания характерис необходимо создание модели ее наде модель должна учитывать энергетические модулей и их элементов, зависимос вательно, рабочей температуры) от уров мощности, зависимость температур
:ая метры следо-выходной нструктив-
ных параметров системы охл^ дения, упомянутую выше зависимость наработки на отк.з от температу ры, более точное описание интенсивности отказов модулей на основе анали а инт нсивности отказов их элементов.
та выполнена при финансо-ва образования и науки оглашение № 14.577.21.0220, эекта RFMEFI57716X0220). is work was supported by a of Education and Science of the
Благодарности. Р'
вой поддержке Мин ист Российской Федера уникальный идентифи
Acknowledge "*s. project of the Ministr
Russian unique
(agreement No. 14.577.21.0220 ifier RFMEFI57716X0220).
блиографические ссылки
tion of objects usi Yu. L. Fateev [et al. Science and DOI: 10.1088/1" 57-'
7. Наработк тенной решетки /
2. Воскресенский Д. И. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных ток. М. : Радиотехника, 2003. 632 с.
3. Сабиров Т. Р. Характеристики излучен дающей АФАР при отказах каналов уст лет Радиолокация и радиосвязь : доклады 6-й Всер^с. науч.-техн. конф. (19-22 ноября 2012, г. Москва) Издание JRE - ИРЭ им. В. А. Котельник^а РАН, 2012. Т. 2. С. 133-135.
4. Дмитриев Д. Д., Тяпкин В. Н., Креме* Н. С. Методы адаптации фазированных антенных решеток к помехам в спутниковых ради навигационных системах // Радиотехника. 2013. № 9. С. j9-43.
5. Пространственное подавление помех при различных конфигурациях антенной решетки угломерной навигационной аппарату' ы / В. Н. Тяпкин [и др.] // Наукоемкие технологин(ЧШ6. Т717, № 8. С. 52-56.
6. Phase methods for measuring the spatial orienta-satellite navigation equipment /
P Conference. Series: Materials 2015. № 94 (1). 94/1/012022. отказ адаптивной цифровой анН. Карцан [и др.] // Norwegian Journal of development of the International Science. 2017. Т. 2, № 9. С. 61-64.
8. Гостюхин А. В., Трусов В. Н. Коррекция характеристик направленности АФАР при отказах AM // Антенны. 2003. Вып. 3-4 (70-71). С. 15-23.
9. Algorithms for adaptive processing of signals in a fla phased antenna array / V. N. Tyapkin [et al.] // 2017 International Siberian Conference on Control and Com-
im\ications, SIBCON - 2017 (29-30 June 2017, Astana, 1 '' itan). 2017. DOI: 10.1109/SIBC0N.2017.7998452.
10. Spatial filtering algorithms in adaptive multi-eam hybrid reflector antennas / V. N. Tyapkin [et al.] //
2015 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON - 2015. (21-23 May 2015, АФАР Omsk). 2015. DOI: 10.1109/SIBTON.2015.7147244.
11. Spatial suppression of interference in hybrid reflector antennas / I. N. Kartsan [et al.] // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016, № 122.. DOI: 10.1088/1757-899X/122/1/012010.
12. Шифрин Я. С. Вопросы статистической теории антенн. М. : Советское радио, 1970. 384 с.
13. Серенков В. И., Карцан И. Н., Дмитриев Д. Д. Метод синтеза амплитудно-фазового распределения гибридно-зеркальной антенны // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 3. С. 664-669.
14. Correcting non-identity in receiving channels in interference-immune systems for GLONASS and GPS / V. N. Tyapkin [et al.] // International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON - 2015 (21-23 May 2015, Omsk). 2015. DOI: 10.1109/SIBCON. 2015.7147246.
15. Зависимость характеристик активной фазированной антенной решетки от наработки / И. Н. Карцан [и др.] // Научный альманах. 2017. № 7-1(33). С. 189-192.
Активные фазированные антенные решетки / ред. Д. И. Воскресенского и А. П. Канащенкова. иотехника, 2004. 488 с.
References
1. Voskresenskii D. I., Kanaschenkov A. P. et al. Ak-tivnye fazirovannye antennye reshetki [Active phased antenna arrays]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2004, 488 p.
2. Voskresenskii D. I. Ustroistvo SVCh i antenny. Proektirovanie fazirovannykh antennykh reshetok [Microwaves and antennas. The design of phased antenna arrays] Moscow, Radiotekhnika Publ., 2003, 632 p.
3. Sabirov T. R. [The characteristics of radiation of a transmitting active phased antenna array]. Doklady 6-y Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii "Radiolokatsiya i radiosvyaz'" [Proceedings of the 6th All-Russian scientific research conference "Radiolokatsiia i radiosviaz'"]. Moscow, 19-22 November 2012. Moscow, 2012. Vol. 2, P. 133-135 (In Russ.).
4. Dmitriev D. D., Tyapkin V. N., Kremez N. S. [Methods of adaptation of the phased antenna array to noise in satellite radio navigational systems]. Radio-tekhnika. 2013, No. 9, P. 39-43 (In Russ.).
5. Tyapkin V. N., Garin, E. N., Ratushniak V. N., Gladyshev A. D. [The spatial noise suppression in various configurations goniometric of navigation equipment]. Naukoenkie tekhnologii. 2016, Vol. 17, No. 8, P. 52-56 (In Russ.).
6. Fateev Yu. L., Dmitriev D. D., Tyapkin V. N., Kartsan I. N., Goncharov A. E. Phase methods for measuring the spatial orientation of objects using satellite navigation equipment. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2015, Vol. 94 (1). DOI: 10.1088/1757-899X/94/1/012022.
7. Kartsan I., Kiselev G., Kiseleva Ye., Logacheva A., Nasyrov I., Efremova S. Handling to failures in smart antennas. Norwegian Journal of development of the International Science. 2017, Vol. 2, No. 9, P. 61-64 (In Russ.).
8. Gostiukhin A. V., Trusov V. N. [The correction of active phased antenna arrays directivity during failure of active modules]. Antenny. 2003, Vol. 3-4 (70-7 P. 15-23 (In Russ.).
9. Tyapkin V. N., Kartsan I. N., Dmitriev Efremova S. V. Algorithms for adaptive processir
signals in a flat phased antenna array. 2017 International Siberian Conference on Control and Communicc (SIBCON). 2017. (Astana, Kazakhstan, 29-30 June 2017. DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998452.
10. Tyapkin V. N., Kartsan I. N., Dmitr Goncharov A. E. Spatial Filtering Algorithms in A tap* ve Multi-Beam Hybrid Reflector Antennas. Internauonal
Siberian Conference on Control and (SIBCON). 2015. DOI: 10.1109/SIBC
11. Kartsan I. N., Zelenkov P. Dmitriev D. D., Goncharov A. E. S of interference in hybrid reflecto Series: Materials Science and Engine* P. 012010. DOI: 10.1088/175
12. Shifrin Ia. S. Vopro. [Issues of the statistical ar ^enna skoe radio Publ., 1970, 3 j4
13. Serenkov V. Kartsa
ations 015.7147244. Tyap kin V. N., oppression s. IOP Conf 2016, Vol. 122, X/L.2/1/012010. sticheskoi teorii antenn ory]. Moscow, Sovet-
[Method for the sy of hybrid-mirror Vol. 16, No. 3, pfe
14. Tyapki Goncharov A. E.
I. N., Dmitriev D. D. of amplitude-phase distribution
Vestnik SibGAU. 2015, (In Russ.).
artsan I. N., Dmitriev D. D., rrecting non-identity in receiving
channels in interference-immune systems for Glonass and GPS. International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). 2015. DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147246.
15. Kartsan I. N., Kiseleva E. A., Logacheva A. I., Kartsan T. I. [Dependence of the characteristics e active phased array antenna on the time]. fj/nCe Almanac. No. 7-1(33), P. 189-192. DOI: 7117/na.2017.07.01.189 (In Russ.).
© Карцан И. Н., Ефремова С. В., Шангина Е. А., Логачева А. И., Горев Е. С., 2017
