CC BY
139
ЦИФРОВОЙ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИЙ МОДУЛЬ АКТИВНОЙ
ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ 1 2 Альсеитов К.С. , Койшыбай С.С. Email: [email protected]
1Альсеитов Куаныш Сайрамбаевчи - магистрант; 2Койшыбай Сунгат Санатулы - магистрант, кафедра радиотехники, электроники и телекоммуникаций, факультет информационных технологий, Международный университет информационных технологий, г. Алматы, Республика Казахстан
Аннотация: СВЧустройства все чаще используют передающие, приемные и передающие активные фазированные антенные решетки (АФАП), в которых излучатели соединены с отдельным модулем, содержащим активные элементы в виде различных типов генераторных и усилительных каскадов и преобразователей частоты, а также пассивных умножителей частоты. Приемопередающий модуль, по меньшей мере, регулирует начальную фазу несущего радиосигнала, проходящего через активный излучающий элемент (для электрического сканирования луча), а также усиливает передаваемый и (или) принимаемый этим элементом радиосигнал. Более сложные приемопередающие модули могут регулировать амплитуду радиосигнала, осуществлять преобразование радиочастоты, а также генерировать (формировать) радиосигнал, преобразовывать его из аналоговой в цифровую форму и (или) из цифровой в аналоговую. В статье рассмотрены универсальный технический уровень и тенденции формирования ментальных антенных систем на борту подвижного носителя. Предложена конструкция цифрового приемопередающего модуля с программно-реконфигурируемой архитектурой для бортовой интенсивной фазированной антенной решетки.
Ключевые слова: цифровой приемо-передающий модуль (ППМ), цифровое диаграммообразование, про-граммно-реконфигурируемая архитектура.
DIGITAL RECEIVING AND TRANSMITTING MODULE OF AN ACTIVE
PHASED ARRAY ANTENNA Alseitov K.S.1, Koyshybai S.S.2
1Alseitov Kuanish Sayrambaevich - Master Student;
2Koyshybai Sungat Sanatula - Master Student, DEPARTMENT OF RADIO ENGINEERING, ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS, FACULTY OF INFORMATION TECHNOLOGY INTERNATIONAL INFORMATION TECHNOLOGY UNVERSITY, ALMATY, REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
Abstract: microwave devices are increasingly used transmitting, receiving and transmitting active phased array antennas (APAA), in which the emitters are connected to a separate module containing active electronic elements in the form of various types of generator and amplifier stages and frequency converters, as well as passive frequency multipliers. The transceiver module, at least, regulates the initial phase of the carrier radio signal passing through the active radiating element (for electric beam scanning), and also amplifies the radio signal transmitted and (or) received by this element. More complex transceiver modules can regulate the amplitude of the radio signal, perform radio frequency conversion, and generate (form) a radio signal, convert it from analog to digital form and (or) from digital to analog. The article considers the universal technical level and trends in the formation of mental antenna systems on Board a mobile carrier. The design of a digital receiving and transmitting module with a software-reconfigurable architecture for an on-Board intensive phased array antenna is proposed.
Keywords: digital receiving and transmitting module( DTM), digital diagramming, software-reconfigurable architecture.
УДК 621.396.96
Введение
Основным направлением мировых исследований в области антенных систем является поиск путей обеспечения их универсальности. Например, одна и та же радиосистема реализует функции радиосвязи на борту подвижного носителя и выполняет радиолокационные задачи, при необходимости она также начинает работать как система радиосвязи и обеспечивает секретность своего носителя. Новый подход к синтезу излучающей поверхности открывает возможность построения антенных систем нового поколения - интеллектуальных, основанных на конформных антенных решетках.
В России существует целевая программа развития вооружения и военной техники, в соответствии с которой предполагается строить различные антенны в виде активных фазированных антенных решеток (АФАР), состоящих из стандартных АПМ. Предполагается, что стандарт PPM будет унифицирован для использования в антенных системах различного назначения.
В ряде зарубежных стран также интенсивно развивается теория и технология конформных антенн. Основой таких систем является Афар, в которой используется принцип формирования цифровой диаграммы направленности-цифровая антенная решетка (ЦАР) [1;2]. Конструкция летательных аппаратов (ЛА), в том числе беспилотных, обеспечивающих скрытный полет, вынуждает разрабатывать конформные антенны, позволяющие маскировать их информацию. Фирмы, разрабатывающие конформные антенные технологии для связи, в том числе шаровые Aerospace & Technologies Corp., Lockheed Martin Corporation и Northrop Grumman Corporation, в настоящее время проводятся исследования для определения возможности адаптации этих антенных решеток прикладные проблемы в области радиолокации и радиоэлектронной борьбы. Основой для построения автомобиля может послужить цифровой PPM. Существуют патенты, предлагающие антенную решетку, каждый приемо-передающий модуль которой включает в себя прямой цифровой синтезатор частотной сетки [3; 4]. Недостатком приемного тракта таких систем является необходимость снижения рабочей частоты, что приводит к уменьшению динамического диапазона и увеличению коэффициента шума. Кроме того, известно, что уровень фазового шума в сигнале на выходе прямой цифровой ССР не соответствует требованиям доплеровской РЛС, а значит, многофункциональность не реализована.
В последние годы появились публикации об использовании принципа программно-определяемого радио в АФАР [5; 6]. Недостатком таких систем является повышенные требования к производительности центрального компьютера. Невозможность реализовать эту скорость приводит к низкой скорости изменения параметров диаграммы направленности АФАР и, как следствие, к невыполнению задач всей радиосистемы.
Задача может быть решена с помощью конструкции автомобиля,которая не имеет компоновки СВЧ-сигнала, что вносит погрешности в цифровое формирование диаграммы направленности. Цифровой контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) является частью каждого приемо-передающего модуля и синхронизируется одним тактовым генератором.
Включение микроконтроллера в приемо-передающий модуль позволит изменять параметры выходного сигнала элементов интеллектуальной системы независимо друг от друга в режиме реального времени. Наличие распределенной системы обработки и генерации сигналов позволит снизить требования к центральному компьютеру и в дальнейшем значительно повысить производительность системы. Такой дспм обеспечит гибкое изменение характеристик всей радиосистемы и повысит точность и скорость формирования диаграммы направленности автомобиля. Сочетание принципов цифрового построения диаграмм с программно-реконфигурируемой архитектурой позволит создать новый класс устройств с повышенной степенью интеграции и улучшенными точностными характеристиками. Данные о подобных исследованиях за рубежом ограничены в силу их актуальности.
Проблемы создания современных ППМАФАР
Основой традиционного Афар является ППМ является упрощенная схема которого показана на рис. 1. Модуль состоит из передатчика и двух каналов передачи и приема. Циркулятор обеспечивает взаимообмен между каналами. В передающем канале на выходе находится полупроводниковый усилитель мощности СВЧ-диапазона, обеспечивающий среднюю выходную мощность 8-15 Вт. Коэффициент усиления мощности в этом диапазоне может составлять КР =30 дБ (примерно 3 каскада) при КПД усилителя около 25%, в то время как потребляемая мощность на ПМ должна быть примерно РВК=15 МВт.
Рис. 1. Базовая структура приемо-передающего модуля АФАР
Аттенюатор (АТТ), управляющий выходной мощностью модуля и, следовательно, распределением усиления в дальней апертуре, может отсутствовать. Управляемый фазовращатель (УФВ) создает необходимый фазовый набег в соответствующем тракте ПМ и, следовательно, управляет распределением фаз в решетке. Мы используем дискретный UFV с дискретной фазой Дф от 11,250 до 900 и цифровым управлением.
На входе приемного канала имеется устройство защиты и малошумящий усилитель (МШУ). Микроконтроллер основан на микросхеме размером примерно 3 2 1,5 мм (Monolithic Microwave Integrated Circuit MMIC) и может иметь коэффициент усиления около 17 дБ. Аттенюатор и UFV в приемном канале аналогичны тем же элементам в передающем канале и выполняют те же функции.
ППМ обычно располагается в специальном корпусе размером около 160 200 мм (ширина глубина). Высота корпуса будет определяться в основном размерами мощного микроволнового усилителя в передающем канале и может составлять от 10 до 150 мм в зависимости от производителя (Рис. 1). 2) [7].
Рис. 2. ППМдля бортовой АФАР системы РЭБ (ЗАО «Микроволновые системы»)
Так как общее число ППМ в сетке может составлять несколько тысяч, то система подачи СВЧ-сигнала от устройства формирования и формирования излучаемого сигнала на входы передающих каналов ППМ, снятия и обработки сигнала с выходов приемных каналов ППМ является очень сложной, громоздкой и не обеспечивает стабильности амплитудно-фазовых характеристик на выходах модулей. Кроме того, существенной задачей является отвод тепла от активных устройств в условиях компактного размещения модулей.
Может быть реализован самый простой способ возбуждения большого Афара-оптическая пространственная система проходного типа. Проходная антенная решетка имеет не только выходной, но и входной излучатели, а МПМ расположен между ними. Входные излучатели облучаются рупорными антеннами-в зависимости от количества участков сетки для формирования разностных диаграмм направленности (дн). Эта система проводки довольно широкополосна. Однако в этом случае АФАР не сможет работать одновременно на прием и передачу, а кроме того, будет невозможно сформировать оптимальные амплитудные распределения для суммы и разности DN.
ЦППМ с программно-реконфигурируемой архитектурой
Одним из основных направлений повышения функциональности Афар является использование цифрового диаграммообразования (ЦДО) [1; 2]. Суть формирования цифровой диаграммы заключается в том, что диаграмма направленности (ДН) антенной решетки формируется не аналоговыми устройствами (фазовращателями), а цифровыми, например квадратурными модуляторами или цифровыми линиями задержки, входящими в состав каждого ПКМ. Модулятор добавляет в канал дополнительный цифровой управляемый или программируемый дискретный фазовый сдвиг, создавая необходимое амплитудно-фазовое распределение (АФР) в сетке или корректируя его.
ЦАР построен из ЦППМ, в отличие от аналогового ППМ АФАР, его основная функция заключается в предварительном формировании аналогового сигнала в цифровой сигнал на более ранней стадии в приемной части сетки, и наоборот, цифровой сигнал к аналоговому сигналу в передающей части. Вместо сложной сканирующей системы в автомобиле целесообразно использовать многолучевой режим работы хотя бы в одной плоскости. Основными преимуществами данного дспм являются замена СВЧ-входа из системы распределения сигнала несущей частоты на вход опорного сигнала, который имеет значительно более низкую частоту, а возможно и более высокую.
Замена традиционных фазовращателей устройствами с цифровыми методами формирования ДН, отсутствие процедуры снижения частоты, добавляющей амплитудные и фазовые погрешности в работу системы, реализация аналого-цифрового преобразования сигнала непосредственно на несущей частоте (Рис. 3).
Рис. 3. Цифровой ППМ
Следует сказать и об использовании аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в технике ЦДО. Основной особенностью таких систем является использование АЦП (ЦАП) в каждом приемо-передающем канале каждого модуля. Это исключает операцию преобразования частоты, декодирования сигналов с выделением огибающей и тем самым снижает потери энергии, повышает чувствительность приемной системы, а также упрощает конструкцию модуля. Среди производителей, успешно решающих задачи формирования цифровых диаграмм в современных системах, прежде всего, следует отметить Analog Devices, Texas Instruments и Atmel-крупнейших поставщиков сигнальных процессоров, АЦП и ЦАП. Сигналы, подлежащие удалению с выхода АЦП суммируются и обрабатываются сигнальным процессором. Таким образом, новейшие технологии реализуются на достаточно распространенной и не самой дорогой элементной базе.
Современный уровень АЦП-технологии позволяет осуществлять аналого-цифровое преобразование сигналов со скоростью до 40 гигаватт в секунду - это серийно выпускаемые АЦП с 8-10-битным разрешением, при этом диапазон входных аналоговых сигналов составляет до 13 ГГц.
Дальнейшая обработка может быть разной. Наиболее распространен метод введения фазовых сдвигов в числовые последовательности излучателей с последующим сложением полученных значений, соответствующих тем же моментам квантования (дискретное преобразование Фурье-ДПФ или быстрое преобразование Фурье - БПФ). Цифровые сигнальные процессоры (DSP) должны быть способны вычислять адаптивные коэффициенты и генерировать ДН в режиме реального времени.
Высокие требования к массогабаритным параметрам, энергетическим и электрическим характеристикам систем с ЦДО приводят к необходимости поиска оптимальной структуры ЦППМ для различных диапазонов частот, уровней выходной мощности, требований к входному тракту и др. Все это реализуется с использованием принципа программной реконфигурации модуля, когда изменение его функций или характеристик осуществляется только программными методами, а СВЧ-часть остается неизменной. Пример реализации такой структуры ЦППМ показан на рис. 4, где более подробно показано взаимодействие и принцип управления его цифровой частью.
Требования к цифровым и микроволновым частям передающего и приемного трактов ЦППМ различны, поэтому целесообразно размещать их на разных печатных платах. Экранирование СВЧ-частей поможет уменьшить нежелательное влияние электромагнитных волн на цифровые управляющие сигналы. Развязка приемного и передающего трактов осуществляется с помощью циркулятора, выполненного в волноводном или печатном исполнении. На выходе циркулятора имеется ключевая схема, обеспечивающая работу модуля на антенном излучателе или на согласованной нагрузке. Для распределения
синхронизирующих сигналов на плате СРМ расположен тактовый делитель, разделяющий опорный сигнал на приемный и передающий тракты.
Управление параметрами модуля осуществляется с помощью встроенного 8-битного или 16-битного микроконтроллера (МК). Он подключен к цифровым устройствам через универсальный последовательный интерфейс SPI.
Рис. 4. Реализация программно-реконфигурируемой архитектуры ЦППМ
МК управляет всеми компонентами модуля и, в частности, процессом изменения частоты на его выходе. Например, частота каждой литере ЦППМ константы во внутренней памяти SRAM МК соответствует их целочисленному и дробному коэффициенту деления SSC, расположенному в цифровой части каждого модуля, и выходному току ССЧ, определяющему его выходную мощность на определенной частоте, что позволяет регулировать плоскостность передающего тракта. Если вам нужна более точная настройка, вы можете настроить выходную мощность ССЧ с помощью встроенного аттенюатора. Каждая частота в памяти МК соответствует значениям корректирующих амплитуд и фаз выходного сигнала. Память современных МК позволяет хранить до нескольких сотен значений частоты. Включение постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) в ЦППМ позволяет значительно увеличить объем хранимой информации.
В плане управления параметрами АЦП в приемном тракте контроллер позволяет изменять уровень постоянного смещения на его дифференциальных входах и включать / выключать внутреннюю схему диттеринга.
Цифровые ЦППМ-устройства имеют возможность программировать отключение питания, во время которого сохраняются все текущие значения регистров внутренней памяти. Включение режима низкого потребления тока осуществляется с помощью высокоуровневого МК на контакте POWER. Потребляемый ток в этом режиме обычно не превышает 100 - 200 мА.
Важной задачей МС является проведение процедуры запуска ЦППМ и контроля параметров, составляющих его компоненты, с последующей выдачей квитанции о текущем состоянии модуля на центральный компьютер (ЦМВ).
Выбор интерфейса для взаимодействия между ЦППМ и ЦВМ производится в первую очередь исходя из объема передаваемых данных. Повышение требований к изменению амплитудно-фазового распределения антенной системы до скоростей, соответствующих частотам обработки 100-200 МГц, приводит к необходимости использования высокоскоростных цифровых интерфейсов связи, обеспечивающих низкое энергопотребление и малый входной шум в передаваемом сигнале. Требуемая скорость передачи данных на интерфейсе CPM-CBC определяется следующим выражением.
F DA TA =2F DAC N DAC+F ADCN ADC+F MKN DATA. (1)
где FDAC , Fadc - частота дискретизации ЦАП и АЦП, Гц; N DAC , N ADC разрядность ЦАП и АЦП; F MK - частота управления микроконтроллером, Гц; N DATA - разрядность управляющего слова.
Пропускная способность цифрового канала связи должна быть на 10-20% выше частоты, используемой пользователем согласно формуле (1). требуемая скорость передачи данных в центре обработки данных аналогична показанной на фиг. 4, Согласно этому выражению, должно быть не менее 2,1 Гбит / с.
В качестве цифрового коммуникационного интерфейса можно использовать стандарт ANSI/TIA/EIA-644 (LVDS)-низковольтная дифференциальная передача сигнала. Передача данных в LVDS осуществляется по двум дифференциальным линиям с противоположными значениями напряжения в каждый момент времени. Прием сигналов LVDS осуществляется путем сравнения напряжений на обеих линиях, что исключает влияние шума, вводящего в сигнал паразитную постоянную составляющую, и снижает напряжение, необходимое для передачи, что в свою очередь снижает энергопотребление интерфейса. Концентрация электромагнитного поля в области между дифференциальными линиями уменьшает их влияние на другие элементы ЦППМ.
Анализ существующей элементной базы показал, что такие модули могут иметь значительно меньшие габариты, вес и энергозатраты, чем традиционные ППМ АФАР. В то же время их точностные характеристики обеспечивают формирование Пучков с шириной порядка единиц и долей градуса и соответствующим усилением.
Заключение
В статье рассмотрен процессор с программно-реконфигурируемой архитектурой, реализующий основные принципы работы DDO:
- для достижения высокого динамического диапазона в приемном тракте КПМ отсутствуют частотные преобразования - аналого-цифровое преобразование осуществляется непосредственно на несущей частоте;
- каждый CPM состоит из MF с цифровым кольцом PLL;
- управление амплитудно-фазовым распределением для передачи осуществляется с помощью км;
- встроенный ВЧ аттенюатор позволяет регулировать частотную зависимость выходной мощности ВЧ;
- формирование диаграммы направленности приема и передачи осуществляется в полном цифровом виде после аналого-цифрового / цифроаналогового преобразования.
Такой модуль с интегрированным излучателем может служить основой для построения сложных конформных антенных систем, а также реальных разреженных, распределенных в пространстве антенных решеток с накоплением когерентного сигнала в сложной интерференционной среде.
Список литературы /References
1. Slyusar V.I. etc. Experimental radar with 64-channel digital antenna array // International
Conference on Modern Prob-lems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer
Science (TCSET), Lviv-Slavske, 2010. Р. 95.
2. Zhuo Zhang etc. Measurement and performance of digital monopulse radar array antenna // International Confer-ence on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). Chengdu, 2010. Pp. 983-986.
3. Patent US005943010A. Direct digital synthesizer driven phased array antenna / Rudish. R., Magil E., Aug. 24, 1999. P. 1.
4. Sha Huan etc. Software-defined system integrated communications based on active phased array radar // IEEE Interna-tional Conference on Microwave Technology & Computational Electromagnetics (ICMTCE), Beijing, 2011. Pp. 508-511.
5. Garmatyuk D. etc. Radar and data communication fusion with UWB-OFDM software-defined system, IEEE In-ternational Conference on Ultra-Wideband, 2009. ICUWB 2009, Vancouver, 2009. Pp. 454-458.
6. [Электронныйресурс]. Режим доступа: http://www.mwsystems.ru/goods/transferring_modules.html/ (дата обращения: 15.06.2020).
