CC BY
58УДК 621.38:621.3.049
DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-73-78
Принципы проектирования бортовых многолучевых приемных АФАР систем спутниковой связи
А.Г. Ефимов1, А.Г. Каменев1, С.А. Корнеев2, В.В. Чистюхин3
10бособленное подразделение ООО «Ижевский радиозавод» в г. Москве, г. Москва, Россия
2АО «Ижевскийрадиозавод», г. Ижевск, Россия
3Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва,
Россия
a. efimov@irz. ru
Использование активных фазированных антенных решеток (АФАР) дает возможность перераспределять информационную емкость системы связи сканированием независимых лучей с электронным управлением. Процесс создания АФАР представляет собой решение многофакторной задачи в условиях значительного количества требований и ограничений, предъявляемых к бортовым АФАР в составе космического аппарата. В работе рассмотрены варианты построения многолучевых приемных антенных систем на основе АФАР. Представлены критерии выбора излучателей для антенн различного диапазона и назначения. Приведены оценки энергетических характеристик АФАР Ka-, C-, S-диапазонов. Даны рекомендации по обеспечению электромагнитной совместимости связных систем. Показано, что применение фазовращателей на основе арсенид-галлиевых полевых транзисторов с затвором Шоттки в пассивном включении позволяет снизить мощность потребления по цепям управления без ухудшения технических параметров.
Ключевые слова: СВЧ; приемная АФАР; излучатель; фазовращатель; устройство управления; малошумящий усилитель; полосно-пропускающий фильтр
Для цитирования: Ефимов А.Г., Каменев А.Г., Корнеев С.А., Чистюхин В.В. Принципы проектирования бортовых многолучевых приемных АФАР систем спутниковой связи // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 1. С. 73-78. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-73-78
Multi-Beam Receiving APAA Space Communication Systems
A.G. Efimov1, A.G. Kamenev1, S.A. Korneev2, V.V. Chistyukhin3
1JSC «Izhevsky Radiozavod» Moscow, Moscow, Russia 2JSC «Izhevsky Radiozavod», Izhevsk, Russia
3National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia a.efimov@irz.ru
Abstract: The options of constructing the multipath receiving antenna systems based on APAA have been considered. The criteria for the selection of emitters for antennas of different range and purpose have been presented. It has been shown that the use of the phase shifters based on arsenide-gallium FET in the passive inclusion can reduce the consumption of control circuits without deterioration of the technical parameters. The estimates of the energy characteristics of three types of APAA have been given. The recommendations on the electromagnetic compatibility have been presented.
© А.Г. Ефимов, А.Г. Каменев, С.А. Корнеев, В.В. Чистюхин, 2020
Keywords: microwave signal; receiving active phased array antenna; radiator; phase shifter; control module; LNA; band-pass filter
For citation: Efimov A.G., Kamenev A.G., Korneev S.A., Chistyukhin V.V. Multi-beam receiving APAA space communication systems. Proc. Univ. Electronics, 2020, vol. 25, no. 1, pp. 73-78. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-73-78
Использование многолучевых антенн в системах связи позволяет за счет пространственно-частотного разделения расширить зону обслуживания и увеличить количество абонентов. Применение активных фазированных антенных решеток (АФАР) дает возможность перераспределять информационную емкость системы связи сканированием независимых лучей с электронным управлением [1]. Процесс создания АФАР представляет собой решение многофакторной задачи в условиях значительного объема требований и ограничений, предъявляемых к бортовым АФАР в составе космического аппарата, основными из которых являются:
- обеспечение частотных диапазонов и энергетических потенциалов на прием и передачу;
- выбор количества и секторов сканирования лучей;
- минимизация массогабаритных характеристик и мощности потребления от систем электропитания космического аппарата;
- использование специфических интерфейсов управления и телеметрического контроля.
Цель настоящей работы - выявить основные принципы проектирования многолучевых
приемных АФАР на современной элементной базе. Для решения поставленной задачи рассмотрим варианты построения многолучевых приемных АФАР разных частотных диапазонов и различной орбиты космического аппарата, обобщенная схема которых представлена на рис.1.
Выбор типа излучателя определяется сектором сканирования и частотным диапазоном антенны с учетом технологичности изготовления. Для получения высокого коэффициента усиления при небольшом секторе сканирования используются рупорные и спиральные излучатели [2]. Для широкоугольного сканирования больше подходят турникетные и плоскопечатные излучатели. Общее усиление антенны определяется усилением единичного излучателя и числом излучателей. Добротность системы на прием G/Teff определяется общим усилением антенны G и эффективной шумовой температурой приемного канала Tf с учетом потерь на входе малошумящего усилителя (МШУ). Следует учитывать, что в некоторых случаях на входе приемного тракта необходимо устанавливать фильтр, потери которого неизбежно повысят интегральную шумовую температуру приемного тракта.
В многолучевых АФАР наиболее многочисленным элементом является фазовращатель. Количество фазовращателей определяется числом приемных каналов N и числом лучей М. Кроме того, скорость переключения фазовых состояний определяет скорость переключения луча, а потребление по цепям управления фазовращателя играет важную роль. Наибольшее распространение получили фазовращатели на основе арсенид-галлиевого полевого транзистора с затвором Шоттки (ПТШ) в пассивном включении. Скорость переключения такого элемента составляет единицы наносекунд, а токи управления определяются токами утечки затвора ПТШ, которые составляют единицы микроампер [3]. Использование арсенида галлия обеспечивает высокую радиационную стойкость и позволяет реализовать функциональные узлы в виде монолитных интегральных схем. Для управления такими фазовращателями требуется отрицательное напряжения для преобразования логических уровней.
В таблице приведены характеристики многолучевых приемных АФАР, которые изготавливаются или проектируются на предприятии АО «Ижевский радиозавод» (Россия).
Антенна Ka-диапазона предназначена для геостационарного ретранслятора, что определяет угол сканирования и выбор тонкостенного рупорного излучателя с линейной поляризацией (рис.2). Каждый одноканальный приемный модуль содержит МШУ и четыре трехразрядных фазовращателя, которые реализованы в виде гибридной ИС на поликоре на основе переключательного ПТШ с балочными выводами.
Рис.1. Схема многолучевой приемной АФАР: МШУ - малошумящий усилитель; БУ - блок управления; Д - делитель; ФВ - фазовращатель; С - сумматор; ППФ - полосно-пропускающий фильтр; У - усилитель Fig.1. Diagram multi beam receiving APAA: МШУ - low noise amplifier; БУ - control module; Д - divider; ФВ - phase shifter; С - adder; ППФ - band-pass filter; У - amplifier
Характеристики приемных АФАР Specifications receiving APAA
Диапазон Число Число Сектор скани- G/Tf дБ/К Тип
излучателей лучей рования, град. излучателя
Ka 64 4 ±8,5 6,5 Рупорный
С 256 19 ±8,5 9 Спиральный
S 16 8 ±52 -11 Турникетный
Антенна С-диапазона для геостационарного ретранслятора имеет спиральные излучатели с круговой поляризацией (рис.3) и построена на основе четырехканальных приемных модулей [4]. В каждом канале установлено по восемь трехразрядных фазовращателей в гибридном исполнении на основе транзистора 3П388 с разрядами 180, 90 и 45°. В формировании узких лучей участвуют фазовращатели всей апертуры антенны. Для формирования нескольких широких лучей задействованы фазовращатели части апертуры. АФАР формирует четыре узких луча с шириной диаграммы направленности 1,7x1,7° и 16 широких лучей с шириной диаграммы направленности 3,5x3,5°.
Восьмилучевая приемная АФАР S-диапазона для низколетящего космического аппарата построена на турникетных излучателях с круговой поляризацией, реализованных печатным способом на текстолите (рис.4).
Рис.2. Антенна Ка-диапазона с рупорными излучателями Fig.2. Antenna with horn radiator Ka-band
Рис.3. Спиральный излучатель С-диапазона Fig.3. Spiral radiator C-band
Многоканальный приемный модуль содержит по восемь фазовращателей в каждом канале, реализованных в виде интегральных схем. На входе каждого приемного канала устанавливается полосно-пропускающий фильтр на высокодобротных диэлектрических резонаторах для обеспечения электромагнитной совместимости [5].
В процессе проектирования многолучевых АФАР решались проблемы разделения лучей. В случае значительного пространственного разноса лучей нарушается обеспечение сплошного покрытия зоны обслуживания. Выбранная конфигурация антенны позволяет формировать статическое расположение лучей и независимое динамическое выставление лучей по рассчитываемым фазовым программам или по заранее вычисленным табличным значениям фазовых состояний массива фазовращателей. Другим способом формирования независимых лучей является частотное разделение рабочих частот в смежных лучах, что требует использования полосно-пропускающих фильтров или каналообразующей аппаратуры. Также широко используется поляризационная развязка, где разворот подрешетки с линейной поляризацией на 90° обеспечивает значительную развязку. Известна реализация излучателей с переключением поляризации, что несколько ухудшает их параметры [6]. В каждом случае выбирается конкретный способ разделения лучей или их комбинация в зависимости от назначения космического аппарата и технических возможностей.
Работа усилителей в многочастотном режиме требует сохранения линейности каждого каскада во всех режимах и условиях эксплуатации [4]. Анализ сохранения режима линейности проводился для всех положений луча с учетом работы передающих устройств собственной системы связи и смежных радиотехнических систем, расположенных рядом друг с другом на космическом аппарате.
Энергетические характеристики антенны значительно ухудшаются в результате возникновения паразитной амплитудной и фазовой модуляций при одновременном управлении лучами. Во всех рассматриваемых случаях использовались кольцевые бинарные делители, что обеспечивало развязку между каналами порядка 20 дБ в рабочей полосе частот. Для Каи С-диапазонов делители и сумматоры реализованы на поликоре, а для 8-диапазона использо-
ван стеклотекстолит. Степень взаимного влияния каналов оценивалась по изменению коэффициента передачи и фазового сдвига при управлении соседним каналом приемного модуля.
Выбранная структура многолучевых АФАР требует использования большого количества фазовращателей, где кроме параметров данных элементов определяющими становятся их геометрические размеры и стоимость.
Таким образом, использование фазовращателей на основе арсенид-галлиевых ПТШ в пассивном включении позволяет снизить мощность потребления по цепям управления до единиц микроампер при скорости переключения фазовых состояний за единицы наносекунд.
Литература
1. Анпилогов В.Р., Шишлов А.В., Эйдус А.Г. Многолучевые антенные системы HTS // Технологии и средства связи. 2013. № 6-2 (99). С. 54-67.
2. Hansen RC. Phased array antennas: Second edition. A. John Willey&Sons, Inc., Publication, 2009. 550 p.
3. Aysli Y. Microwave switching with GaAs MESFET // Microwave J. 1982. Vol. 25. No 11. P. 61-74.
4. Timoshenkov V., EfimovA., Losev V. Multi-channel receiving module of multi beam c-band active phased array antenna // Proc. of the 2017 IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference. 2017. P. 4-7.
5. Безбородов Ю.М., Нарытник Т.Н., Федоров В.Б. Фильтры СВЧ на диэлектрических резонаторах. К.: Техника, 1989. 184 с.
6. Калиновский А.К., Лупан Ю.А., Панькина А.А., Романов Ю.И. Устройство управления поляризацией // А.с. 1841183 SU. Опубл. 2016. Бюл. № 26.
Поступило в редакцию 17.06.2019 г.; после доработки 17.06.2019 г.; принято к публикации 19.11.2019 г.
Ефимов Андрей Геннадьевич - доктор технических наук, начальник отдела обособленного подразделения ООО «Ижевский радиозавод» в г. Москве (Россия, 124460, г. Москва, г. Зеленоград, ул. Генерала Алексеева, 8), a.efimov@irz.ru
Каменев Александр Григорьевич - начальник отдела обособленного подразделения ООО «Ижевский радиозавод» в г. Москве (Россия, 124460, г. Москва, г. Зеленоград, ул. Генерала Алексеева, 8), a.kamenev@irz.ru
Корнеев Станислав Алексеевич - начальник отдела АО «Ижевский радиозавод» (Россия, 426034 г. Ижевск, ул. Базисная, 19), stas@irz.ru
Чистюхин Виктор Васильевич - кандидат технических наук, профессор Института микроприборов и систем управления имени Л.Н. Преснухина Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), Chistyuhinvv@gmail.com
References
1. Anpilogov V.R., Shishlov А^., Eydus А.& Mnogoluchevyye antennyye sistemy HTS. Tekhnologii Isredstva svyazi = Communication Technologies& Equipment Magazine, 2013, no. 6-2 (99), pp. 54-67. (In Russian).
2. Hansen R.C. Phased array Antennas. Second edition A. John Willey&Sons, Inc., Publication, 2009. 550 p.
3. Aysli Y. Microwave switching with GaAs MESFET. Microwave J, 1982, vol. 25, no. 11, pp. 61-74.
4. Timoshenkov V., Efimov A., Losev V. Multi-channel receiving module of multi beam C-band active phased array antenna. Proceedings of the 2017 IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, 2017, pp. 4-7.
5. Bezborodov Y.M., Narytnik T.N., Fedorov V.B. Filtry svch na dielektricheskikh rezonatorakh. Kiyev, Tekhnika Publ., 1989. 184 p. (In Russian).
6. Kalinovskiy A.K., Lupan Y.A., Pankina A.A., Romanov Y.I. Polarization control unit. Copyright Certificate 1841183 SU, 2016. (In Russian).
Received 17.06.2019; Revised 17.06.2019; Accepted 19.11.2019.
Information about the authors:
Andrey G. Efimov - Dr. Sci. (Eng.), Head of the Separate Division Department, JSC «Izhevskiy Radiozavod» Moscow (Russia, 124460, Moscow, Zelenograd, General Alekseev st., 8), a.efimov@irz.ru
Alexander G. Kamenev - Head of the Separate Division Department, JSC «Izhevskiy Radiozavod» Moscow (Russia, 124460, Moscow, Zelenograd, General Alekseev st., 8), a. kamenev@irz. ru
Stanislav A. Korneev - Head of the Department, JSC «Izhevskiy Radiozavod» (Russia, 426034, Izhevsk, Bazisnaya st., 19), stas@irz.ru
Victor V. Chistyukhin - Cand. Sci. (Eng.), Prof. of the Institute of Microdevices and Control Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Chistyuhinvv@gmail.com
УДК 621.375:621.3.029.6:621.382.3 DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-78-82
СВЧ-усилитель мощности до 100 Вт на GаN-транзисторах в режиме большого сигнала
В.Т. Комаров
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия valerkomarov@gmail. com
Для эффективного использования GaN-транзисторов в составе усилителя большой мощности на практике требуется точная модель эквивалентной схемы транзистора. Для комплексного исследования усилителя необходим анализ полной электрической схемы, содержащей схемы смещения, питания, согласования на входе и выходе транзистора, который эффективно осуществляется алгоритмами частотного анализа нелинейных схем методом гармонического баланса. В работе проведено исследование высокочастотных усилителей большой мощности с уровнем 100 Вт с использованием нелинейных моделей транзисторов Modelithics GaN компании Qorvo в компьютерной среде Keysight Technologies Advanced Design System. Рассмотрена полная электрическая схема усилителей большой мощности на сосредоточенных и микрополосковых элементах. Элементы схемы вычислены с помощью параметрической оптимизации, целевой функцией которой является комплекс параметров усилителя, а именно: максимальная выходная мощность, максимальный КПД, максимальная полоса рабочих частот, устойчивая работа усилителя. Определена конфигурация схемы согласования на выходе мощного транзистора, которая обеспечивает мощность 100 Вт, КПД не менее 60 % в полосе частот 40 % от центральной частоты 500 МГц. Электрическая схема позволяет формировать гармоники в режиме большого сигнала на выходе транзистора, необходимые для реализации высокого КПД.
Ключевые слова: GaN-транзистор; усилитель мощности; КПД; коэффициент стабильности
Благодарности: автор выражает благодарность компании Mjodelithics за предоставленные модели GaN-транзистора.
Для цитирования: Комаров В.Т. СВЧ-усилитель мощности до 100 Вт на GаN-транзис-торах в режиме большого сигнала // Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 1. С. 78-82. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-1-78-82
© В.Т. Комаров, 2020
