RU157114U1 - Приемопередающий модуль бортовой цифровой антенной решетки - Google Patents

Abstract

Приемопередающий модуль бортовой цифровой антенной решетки, содержащий синтезатор сетки частот, усилитель мощности СВЧ, соединенный с входом переключателя прием-передача (циркулятором), первый выход которого является СВЧ выходом передающей части модуля и он же является входом приемной части модуля, второй выход циркулятора через малошумящий усилитель соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является цифровым выходом модуля, отличающийся тем, что использован синтезатор сетки частот с цифровым кольцом фазовой автоподстройки частоты, соединенный с квадратурным модулятором, а также введен микроконтроллер, входная шина которого является цифровым входом модуля, а выходная шина соединена с цифровыми управляемыми входами синтезатора сетки частот с цифровым кольцом фазовой автоподстройки частоты, квадратурного модулятора и аналого-цифрового преобразователя, при этом вход цифрового опорного сигнала для кольца фазовой автоподстройки частоты синтезатора сетки частот является еще одним цифровым входом модуля.

Description

Полезная модель относится к приемопередающим устройствам сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний, предназначенным для работы в составе цифровой антенной решетки (ЦАР) бортовой радиолокационной системы (БРЛС), устанавливаемой на летательном аппарате (ЛА).

Основными потребителями энергии и источниками фазовых шумов в существующих ЦАР, как и в активных фазированных антенных решетках (АФАР), являются единый возбудитель СВЧ колебаний и активные приборы приемопередающих модулей (ППМ). Существенные потери мощности и неидентичность каналов в системе распределения опорного СВЧ сигнала приводят к возрастанию энергопотребления возбудителя и появлению ошибок амплитудно-фазового распределения (АФР) в раскрыве решетки. Управляемые фазовращатели (УФ) и аттенюаторы в передающем и в приемном трактах ППМ дополнительно увеличивают уровень потребляемой мощности и амплитудно-фазовые ошибки при формировании диаграммы направленности (ДН) ЦАР, а также увеличивают массу и размеры модулей, что является недопустимым для БРЛС. Определение оптимальной структуры ППМ для стабилизации амплитуды и фазы выходного СВЧ сигнала, уменьшения уровня фазовых шумов, при снижении энергопотребления модуля является актуальной задачей.

Известен приемо-передающий модуль (ППМ) в составе ЦАР [1], содержащий в передающей части квадратурный модулятор, на высокочастотный вход которого подается сигнал второго гетеродина из системы разводки ЦАР, а на управляющие входы - сигналы с формирователя цифрового пространственного сигнала, предварительно преобразованные в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП). Выход квадратурного модулятора соединен с первым входом смесителя частоты, на второй вход которого поступает высокочастотный сигнал из системы разводки первого гетеродина. Выход смесителя частоты через усилитель мощности и устройство развязки прием-передача соединен с излучателем ППМ. В приемной части модуля излучатель через переключатель прием-передача соединен с управляемым фазовращателем (УФ), выход которого вместе с выходами УФ приемных трактов других модулей подключен к аналоговому устройству суммирования СВЧ колебаний. С выходом устройства суммирования СВЧ, колебаний соединен усилитель и далее первый вход смесителя частоты, на второй вход которого поступает высокочастотный сигнал из системы разводки первого гетеродина.

Недостатком известного устройства является то, что находясь в составе ЦАР установленной на борту летательного аппарата (ЛА), в условиях широкого диапазона изменения температуры окружающей среды, характеристики УФ приемных трактов различных модулей и каналы систем разводки первого и второго гетеродинов передающих каналов модулей в составе решетки по-разному изменяют свои амплитудные и фазовые характеристики, что приводит к возникновению случайных ошибок в амплитудно-фазовом распределении поля в раскрыве решетки. Преобразования частоты СВЧ колебания и наличие УФ приводят к потере высокочастотной энергии, что компенсируется повышенным энергопотреблением на борту ЛА. Кроме того системы разводки СВЧ колебаний от гетеродинов являются громоздкими и имеют существенные размеры. Эти недостатки делают невозможным использование известного устройства в составе бортовой ЦАР.

Известен также ППМ фазированной антенной решетки (ФАР) [2], содержащий в передающей части генератор прямого цифрового синтеза (ГПЦС), на высокочастотный вход которого подается СВЧ сигнал с синтезатора частоты (СЧ) через систему разводки ФАР и делитель частоты, а на управляющий вход - цифровой сигнал с блока управления модуляцией сигнала и направлением луча (БУС). Выходы ГПЦС подключены к квадратурному балансному смесителю (КБС), в котором осуществляется модуляция СВЧ сигнала, а также реализуется управляемый фазовый сдвиг сигнала несущей для фазирования антенной решетки. Выходной сигнал КБС проходит через умножитель частоты и несколько усилителей мощности и через переключатель прием-передача поступает на вход излучателя. В приемной части модуля излучатель через переключатель прием-передача соединен с малошумящим усилителем (МШУ) и преобразователем частоты, после которых сигнал преобразуется в цифровой вид.

Недостатком этого устройства является то, что хотя источник СВЧ колебания ГПЦС находится непосредственно в самом модуле, однако опорный сигнал для прямого цифрового синтеза поступает на него с общего для всех модулей в составе ФАР синтезатора СЧ. Принцип прямого цифрового синтеза подразумевает, что частота этого опорного сигнала должна быть минимум в два раза выше синтезируемой частоты несущего колебания. А это означает, что к системе разводки опорного сигнала предъявляются еще более высокие требования по стабильности и идентичности амплитудных и фазовых характеристик, чем в ФАР, где распределительная система разводит непосредственно сигнал несущей частоты. Для возможного решения этой проблемы в известном устройстве прямой синтез несущей осуществляется на пониженной частоте, а затем используется умножитель частоты. Это приводит к тому, что уровень фазовых шумов, который достаточно высок на выходе ГПЦС существенно увеличивается за счет умножения частоты, что делает невозможным использование такого ППМ в составе бортовой РЛС, решающей задачи доплеровской радиолокации. Преобразования частоты СВЧ колебания в передающей и приемной части с помощью балансных смесителей приводят к потере высокочастотной энергии, что требует повышения энергопотребления на борту ЛА.

Известен также ППМ в составе цифровой АФАР [3], выбранный в качестве прототипа, содержащий в передающем канале ЦАП, на вход которого поступает цифровой сигнал с задающего генератора (ЗГ), единого для всей АФАР, представляющего собой синтезатор частоты, формирующий набор цифровых сигналов в широкой полосе. Эти сигналы поступают на входы всех передающих трактов всех ППМ АФАР через цифровую распределительную систему для обеспечения когерентности сигналов всех каналов. ЦАП преобразует цифровой сигнал от ЗГ в аналоговый на несущей частоте. Выход ЦАП через первый переключатель прием-передача (ППП) соединен с усилителем мощности, выход которого через второй ППП подключен к входу излучателя. В приемном тракте излучатель через второй ППП соединен со входом МШУ, выход которого через первый ППП подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который преобразует принятое аналоговое СВЧ колебание сразу в цифровой сигнал на выходе ППМ. Отличительным признаком этого ППМ является то, что формирование диаграммы направленности АФАР, в состав которой он входит, на передачу и на прием осуществляется полностью в цифровом виде. Однако под достаточно широким понятием ЦАП здесь подразумевается устройство прямого цифрового синтеза, а значит, цифровой сигнал поступает на него с общего для всех модулей в составе АФАР ЗГ. Принцип прямого цифрового синтеза подразумевает, что частота повторения импульсов этого цифрового сигнала должна быть минимум в два раза выше синтезируемой частоты несущего колебания. А это означает, что система разводки опорного цифрового сигнала ухудшает стабильность и идентичность амплитудных и фазовых характеристик даже по-сравнению с АФАР, где распределительная система разводит непосредственно аналоговый сигнал несущей частоты. Кроме того с повышением частоты возрастает затухание в системе разводки, что снижает энергетические характеристики решетки. Высокий уровень фазовых шумов в синтезаторах прямого синтеза делает невозможным использование такого ППМ в составе бортовой РЛС, решающей задачи доплеровской радиолокации.

Технической задачей данной полезной модели является разработка схемы ППМ, обеспечивающего в составе бортовой ЦАР стабильность амплитуды и фазы выходного СВЧ сигнала, уменьшение уровня фазовых шумов, при снижении энергопотребления модуля.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в приемопередающем модуле бортовой цифровой антенной решетки, содержащий синтезатор сетки частот, усилитель мощности СВЧ соединенный с входом переключателя прием-передача (циркулятором), первый выход которого является СВЧ выходом передающей части модуля и он же является входом приемной части модуля, второй выход циркулятора через малошумящий усилитель соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является цифровым выходом модуля, согласно заявляемой полезной модели, использован синтезатор сетки частот с цифровым кольцом фазовой автоподстройки частоты, соединенный с квадратурным модулятором, а также введен микроконтроллер, входная шина которого является цифровым входом модуля, а выходная шина соединена с цифровыми управляемыми входами синтезатора сетки частот с цифровым кольцом фазовой автоподстройки частоты, квадратурного модулятора и аналого-цифрового преобразователя, при этом вход цифрового опорного сигнала для кольца фазовой автоподстройки частоты синтезатора сетки частот является еще одним цифровым входом модуля.

Положительный эффект по сравнению с прототипом достигается тем, что ЦАП с высокой частотой управляющего цифрового сигнала, поступающего из нестабильной распределительной системы, заменяется синтезатором сетки частот с цифровым кольцом фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с существенно более низкочастотным опорным сигналом тактовых импульсов, что повышает стабильность амплитуды и фазы выходного СВЧ несущего колебания, а также снижает энергопотребление. Уменьшение уровня фазовых шумов обеспечивается заменой ЦАП с синтезатором прямого цифрового синтеза на синтезатор с цифровым кольцом ФАПЧ. Квадратурный модулятор на выходе синтезатора под воздействием цифрового управляющего сигнала от микроконтроллера осуществляет модуляцию несущего колебания, вносит необходимый фазовый набег и изменяет амплитуду сигнала. Вновь введенные устройства выполняют все необходимые функции в составе ППМ, при этом позволяют исключить ЦАП с низкой стабильностью частоты и амплитуды, высоким уровнем фазовых шумов и обладающий высоким энергопотреблением. ЦАР на борту ЛА может быть составлена из предлагаемых ППМ, подключенных к общему высокостабильному генератору опорных тактовых импульсов, при этом исключаются высокочастотный ЗГ цифровых сигналов и распределительная система этих сигналов к модулям.

На чертеже представлена схема ППМ бортовой ЦАР, в состав которого входят: синтезатор сетки частот (ССЧ) с цифровым кольцом ФАПЧ 1, квадратурный модулятор (КМ) 2, усилитель мощности СВЧ 3, переключатель прием-передача (циркулятор) 4, устройство защиты приемного канала 5, малошумящий усилитель (МШУ) 6, АЦП 7, микроконтроллер 8.

Выход ССЧ с цифровым кольцом ФАПЧ 1 соединен с высокочастотным входом КМ 2, выход которого подключен к входу усилителя мощности СВЧ 3, выход которого соединен с входом переключателя прием-передача (циркулятор) 4, первый выход которого является СВЧ выходом передающей части ППМ, которой в составе бортовой ЦАР соединяется с излучателем антенной решетки. Этот же выход циркулятора 4 является входом приемной части ППМ, второй выход циркулятора 4 соединен через устройство защиты приемного канала 5 с входом МШУ 6, выход которого соединен с входом АЦП 7, выход которого является цифровым выходом ППМ. В составе бортовой ЦАР все цифровые выходы всех ППМ соединены с цифровым устройством пространственной и временной обработки цифровых сигналов (на чертеже не показан). Цифровым входом 1 ППМ является входная шина микроконтроллера 8, выходная шина которого соединена с цифровыми управляемыми входами синтезатора сетки частот с цифровым кольцом ФАПЧ 1, КМ 2, АЦП 7. У ППМ есть еще один цифровой вход 2, который является входом цифрового опорного сигнала для кольца ФАПЧ ССЧ 1. В составе бортовой ЦАР все цифровые входы 2 всех ППМ через цифровую распределительную систему соединяются с выходом высокостабильного генератора тактовых импульсов (ГТИ) (на чертеже не показан).

Устройство работает следующим образом. СВЧ колебание несущей частоты вырабатывается в передающем тракте модуля синтезатором сетки частот с цифровым кольцом ФАПЧ 1, обладающим низким уровнем фазовых шумов, и поступает на высокочастотный вход КМ 2, в котором под действием цифрового управляющего сигнала, поступающего от микроконтроллера 8, осуществляется требуемый вид модуляции несущего колебания, ввод фазового сдвига для обеспечения когерентности выходного СВЧ сигнала с сигналами других модулей в составе бортовой ЦАР, а также изменение амплитуды несущего колебания для реализации требуемого амплитудного распределения в раскрыве ЦАР. Сигнал с выхода КМ 2 усиливается в усилителе мощности СВЧ 3 и поступает через переключатель прием-передача (циркулятор) 4 на вход излучателя антенной решетки. Этот же выход циркулятора 4 является входом ППМ для принятого антенной решеткой СВЧ сигнала с шумом, который через второй выход циркулятора 4 попадает в приемную часть ППМ на вход устройства защиты приемного канала 5, которое предотвращает попадание в приемный канал ППМ высокочастотных сигналов высокой мощности из излучателя и из передающего тракта. Полезный сигнал с шумом поступает в МШУ 6, где осуществляется фильтрация шумов, усиление уровня полезного сигнала и возможная процедура диттеринга для увеличения динамического диапазона приемного тракта модуля. Выходной СВЧ сигнал МШУ 6 поступает на вход АЦП 7, где преобразуется в цифровой вид и именно этот цифровой сигнал является выходным сигналом ППМ. В составе бортовой ЦАР сигналы со всех цифровых выходов всех ППМ поступают в цифровое устройство пространственной и временной обработки цифровых сигналов (на чертеже не показано). Это же цифровое устройство, после обработки и анализа принимаемых цифровых сигналов, формирует цифровой сигнал управления амплитудой и фазой выходного СВЧ сигнала модуля, который подается на цифровой вход 1 ППМ, а именно на вход микроконтроллера 8, который формирует групповой цифровой сигнал управления, поступающий на управляющие цифровые входы ССЧ с цифровым кольцом ФАПЧ 1, КМ 2 и АЦП 7. Этот сигнал управляет изменением значения несущей частоты и мощности на выходе ССЧ 1, модуляцией несущего колебания, меняет фазовый набег и амплитуду сигнала на выходе КМ 2, управляет частотой дискретизации АЦП 7, управляет включением/выключением напряжения питания всех устройств модуля, осуществляет тестирование работоспособности и диагностику неисправностей всех элементов модуля. На цифровой вход 2 модуля подается цифровой опорный сигнал для кольца ФАПЧ ССЧ 1. В составе бортовой ЦАР источником цифрового опорного сигнала выступает единый для всех ППМ высокостабильный генератор тактовых импульсов, частота которого стабилизирована кварцевым или другим высокодобротным резонатором (на чертеже не показан).

Источник СВЧ сигнала ССЧ1 располагается непосредственно в модуле, его выходной сигнал не транспортируется через громоздкую распределительную систему, подверженную влиянию различных дестабилизирующих факторов на борту ЛА, а наоборот стабилизируется опорным высокостабильным цифровым сигналом, существенно более низкой частоты от генератора тактовых импульсов. Управление амплитудным и фазовым распределением осуществляется в передающем тракте в едином блоке ССЧ1-КМ 2, под управлением цифрового сигнала от микроконтроллера, располагающегося в этом же модуле, а в приемном тракте производится только преобразование аналогового сигнала в цифровой на несущей частоте, а формирование диаграммы направленности осуществляется в цифровом виде, в общем для всех модулей цифровом устройстве пространственной и временной обработки цифровых сигналов (вычислителе). Разводка управляющих цифровых сигналов осуществляется на низкой тактовой частоте, что существенно снижает ошибки амплитудного и фазового распределений на выходе ППМ.

Вновь введенные устройства являются типовыми элементами радиоэлектронной аппаратуры, что позволяет без проблем воспроизвести предложенную схему ППМ в полном объеме.

Источники информации

1. Активные фазированные антенные решетки/под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. М.: Радиотехника, 2004. - 488 с., (стр. 67-68).

2. Патент RU 2392704 C1 от 09.10.2008. Способ повышения широкополосности приемопередающего модуля фазированной антенной решетки, использующего генерацию сигналов методом прямо цифрового синтеза, и варианты его реализации.

3. Ю.Н. Гуськов, Н.Ю. Жибуртович. Технология разработки БРЛС с АФАР // Вопросы радиоэлектроники. Серия РЛТ. - 2014. - Вып. 3. - С.25.

Claims (1)

1. Приемопередающий модуль бортовой цифровой антенной решетки, содержащий синтезатор сетки частот, усилитель мощности СВЧ, соединенный с входом переключателя прием-передача (циркулятором), первый выход которого является СВЧ выходом передающей части модуля и он же является входом приемной части модуля, второй выход циркулятора через малошумящий усилитель соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого является цифровым выходом модуля, отличающийся тем, что использован синтезатор сетки частот с цифровым кольцом фазовой автоподстройки частоты, соединенный с квадратурным модулятором, а также введен микроконтроллер, входная шина которого является цифровым входом модуля, а выходная шина соединена с цифровыми управляемыми входами синтезатора сетки частот с цифровым кольцом фазовой автоподстройки частоты, квадратурного модулятора и аналого-цифрового преобразователя, при этом вход цифрового опорного сигнала для кольца фазовой автоподстройки частоты синтезатора сетки частот является еще одним цифровым входом модуля.

   

Images