RU2571884C1

RU2571884C1 - Receiving-transmitting module of active phased antenna array

Info

Publication number: RU2571884C1
Application number: RU2014134033/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Григорьев; Александр Сергеевич Ионов; Алексей Сергеевич Петров; Владимир Ильич Тян
Original assignee: Открытое акционерное общество "ОКБ-Планета" ОАО "ОКБ-Планета"
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2015-12-27

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: receiving-transmitting module of an active phased antenna array comprises transmitting and receiving channels, first, second and third directional devices for dividing incident and reflected power, a protective device, a rectifier, a matched load and a flyback converter. The incident power input of the first directional device is connected to the output of the transmitting channel, and the reflected power output is connected to the incident power input of the second directional device, which is connected through the protective device to the input of the receiving channel. The reflected power output of the second directional device for dividing incident and reflected power is connected to the incident power input of the third directional device, which is connected to the rectifier, which is loaded at the input of the flyback converter, the output of which is connected to the power circuit of the transmitting channel. The reflected power output of the third directional device for dividing incident and reflected power is connected to the matched load.

EFFECT: high efficiency of the antenna array.

2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве приемо-передающего модуля (ППМ) активных фазированных антенных решеток (АФАР), в которых, наряду с высокой эффективностью защиты входа приемного и выхода передающего каналов ППМ, требуется высокий коэффициент полезного действия (КПД) АФАР.The invention relates to radio engineering and can be used as a transceiver module (PPM) of active phased antenna arrays (AFAR), in which, along with high efficiency of protection of the input of the receiving and output of the transmitting channels of the PPM, a high efficiency factor (COP) of the AFAR is required .

Широко известны ППМ АФАР, содержащие приемный и передающий каналы, узел разделения передаваемого и принимаемого сигналов - либо коммутатор [Голик А.М., Емец В.Ф., Клейменов Ю.А., Левчук В.Б. «Приемо-передающие модули активных ФАР», Зарубежная радиоэлектроника, 1993, №5, с. 12-19»], либо циркулятор [В.А. Коломейцев, А.В. Езопов «Электромагнитное взаимодействие компонентов приемного и передающего каналов в приемо-передающих модулях АФАР Х-диапазона», Sciencejournal. http://sstu.ru, с. 18]. Функционально, в состав приемного канала входят следующие устройства: Устройство защиты приемника - обычно либо разрядник, либо другое пороговое устройство, предотвращающее перегрузку приемного канала. Малошумящий усилитель (МШУ), обеспечивающий необходимую чувствительность приемного канала. Фазовращатель - устройство фазовой задержки сигнала в канале для задания фазового распределения по всему раскрыву решетки. Аттенюатор - устройство задания (понижения, ослабления) амплитуды сигнала для задания амплитудного распределения по раскрыву решетки. Следует заметить, что возможно и другое построение приемного канала. Так после МШУ сигнал переносят по частоте и оцифровывают, а все фазовые и амплитудные распределения моделируются и просчитываются в вычислителе [В.Л. Гостюхин, В.Н.Трусов, А.В. Гостюхин «Активные фазированные антенные решетки», Радиотехника, Москва, 2011, с. 22]. Состав передающего канала схож с составом приемного канала. Отличие заключается в отсутствии устройства защиты и меньших требованиях к усилителю по шумам в передающем канале. Тем не менее, передающий усилитель должен обладать большей выходной мощностью, чем приемный. К узлу разделения передаваемого и принимаемого сигналов предъявляются повышенные требования к развязке, поскольку ее считают причиной просачивания выходной мощности передающего канала на вход приемного канала. Однако эти ППМ АФАР имеют существенный недостаток. При сканировании лучом пространства в такте передачи, в зависимости от угла его отклонения, антенные выходы решетки, из-за взаимного влияния излучателей, испытывают значительное рассогласование. Таким образом, выход передающего канала оказывается нагруженным на несогласованную нагрузку. Появляется отраженная от антенного входа волна, идущая в обратном направлении сразу на выход передающего канала, если ППМ АФАР с коммутатором, либо на вход защитного устройства приемного канала, если ППМ АФАР с циркулятором, и далее, отразившись от защитного устройства, она снова через циркулятор попадает на выход передающего канала, что приводит к его перегрузке.The AFAR AFMs are widely known, containing the receiving and transmitting channels, the separation unit of the transmitted and received signals — or a switch [Golik AM, Emets V.F., Kleimenov Yu.A., Levchuk VB “Transceiver Modules of Active Headlamps”, Foreign Radio Electronics, 1993, No. 5, p. 12-19 "], or a circulator [V.A. Kolomeitsev, A.V. Ezopov “Electromagnetic interaction of the components of the receiving and transmitting channels in the transmitting and receiving modules of the X-band AFAR,” Sciencejournal. http://sstu.ru, p. eighteen]. Functionally, the following devices are part of the receiving channel: The receiver protection device is usually either an arrester or another threshold device that prevents overloading of the receiving channel. Low-noise amplifier (LNA), providing the necessary sensitivity of the receiving channel. Phase shifter is a device for phase delay of a signal in a channel for setting the phase distribution over the entire lattice opening. Attenuator - a device for setting (decreasing, attenuating) the signal amplitude to set the amplitude distribution over the opening of the lattice. It should be noted that another construction of the receiving channel is also possible. So after LNA the signal is transferred in frequency and digitized, and all phase and amplitude distributions are modeled and calculated in the calculator [V.L. Gostyukhin, V.N. Trusov, A.V. Gostyukhin “Active phased antenna arrays”, Radio Engineering, Moscow, 2011, p. 22]. The composition of the transmitting channel is similar to the composition of the receiving channel. The difference lies in the absence of a protection device and lower requirements for the amplifier in terms of noise in the transmitting channel. However, the transmitting amplifier must have more output power than the receiving amplifier. The separation node of the transmitted and received signals is subject to increased isolation requirements, since it is considered to be the reason for the output power of the transmitting channel to leak to the input of the receiving channel. However, these APM AFARs have a significant drawback. When a beam scans a space in a transmission cycle, depending on the angle of its deviation, the antenna outputs of the array, due to the mutual influence of the emitters, experience significant mismatch. Thus, the output of the transmitting channel is loaded on an inconsistent load. A wave appears, reflected from the antenna input, traveling in the opposite direction immediately to the output of the transmitting channel, if the APM AFAR with the switch, or to the input of the protective device of the receiving channel, if the APM AFAR with the circulator, and then, reflected from the protective device, it again passes through the circulator to the output of the transmitting channel, which leads to its overload.

Этот недостаток частично устранен в ППМ АФАР, описанном в патенте РФ (RU 2206155) «Приемо-передающий модуль активной фазированной антенной решетки» и являющемся прототипом заявленного технического решения, за счет введения дополнительного циркулятора с согласованной нагрузкой между выходом третьего плеча входного циркулятора и входом защитного устройства. В данном случае помимо эффективной защиты приемника, реализуется также и защита выхода передающего канала от перегрузки, поскольку отраженная от защитного устройства волна не попадает на его выход, а сбрасывается в согласованную нагрузку. Недостатком является снижение КПД АФАР за счет поглощения согласованной нагрузкой мощности, отраженной вследствие рассогласования.This disadvantage was partially eliminated in the AFAR APM described in the patent of the Russian Federation (RU 2206155) “Transceiver module of an active phased antenna array” and which is the prototype of the claimed technical solution due to the introduction of an additional circulator with an agreed load between the output of the third arm of the input circulator and the input of the protective devices. In this case, in addition to the effective protection of the receiver, the output of the transmitting channel is also protected from overload, since the wave reflected from the protective device does not reach its output, but is dumped into the agreed load. The disadvantage is the decrease in the efficiency of the AFAR due to the absorption of the agreed load by the power reflected due to the mismatch.

Технической задачей Изобретения является повышение КПД АФАР.The technical task of the Invention is to increase the efficiency of AFAR.

Поставленная задача достигается тем, что ППМ АФАР содержит передающий и приемный каналы, первое направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей, вход падающей мощности которого соединен с выходом передающего канала, а выход отраженной мощности соединен с входом падающей мощности второго направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей, которое через защитное устройство соединено с входом приемного канала, причем выход отраженной мощности второго направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей подключен к входу падающей мощности третьего направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей, подключенному к выпрямителю, нагруженному на вход обратноходового преобразователя, выход которого подключен к цепи питания передающего канала, а выход отраженной мощности третьего направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей подключен к согласованной нагрузке.The task is achieved in that the AFM AFM contains transmitting and receiving channels, a first directional device for separating incident and reflected powers, the input of the incident power of which is connected to the output of the transmitting channel, and the output of the reflected power is connected to the input of the incident power of the second directional device for separating the incident and reflected powers which through a protective device is connected to the input of the receiving channel, and the output of the reflected power of the second directional separation device is incident and the reflected power is connected to the input of the incident power of the third directional device for separating the incident and reflected powers, connected to the rectifier loaded on the input of the flyback converter, the output of which is connected to the power circuit of the transmitting channel, and the output of the reflected power of the third directional device for separating the incident and reflected powers is connected to the matched load.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На Фиг. 1 изображена электрическая принципиальная схема ППМ АФАР.In FIG. 1 depicts an electrical circuit diagram of PPM AFAR.

На Фиг. 2 изображена электрическая схема практической реализации ППМ АФАР.In FIG. 2 shows an electrical diagram of the practical implementation of the APM AFAR.

ППМ АФАР содержит передающий 1 и приемный 2 каналы, первое направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 3, вход падающей мощности которого соединен с выходом передающего канала 1, а выход отраженной мощности соединен с входом падающей мощности второго направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей 4, которое через защитное устройство 5 соединено с входом приемного канала 2, при этом выход отраженной мощности второго направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей 4 подключен к входу падающей мощности третьего направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей 6, подключенного к выпрямителю 7, нагруженному на вход обратноходового преобразователя 8, выход которого подключен к цепи питания передающего канала 1, а выход отраженной мощности третьего направленного устройства разделения падающей и отраженной мощностей 6 подключен к согласованной нагрузке 9.APM AFAR contains transmitting 1 and receiving 2 channels, the first directional device for separating the incident and reflected powers 3, the input of the incident power of which is connected to the output of the transmitting channel 1, and the output of the reflected power is connected to the input of the incident power of the second directional device for separating the incident and reflected powers 4, which through a protective device 5 is connected to the input of the receiving channel 2, while the output of the reflected power of the second directional device for separating the incident and reflected powers 4 is connected to the input of the incident power of the third directional device for separating the incident and reflected powers 6 connected to the rectifier 7 loaded to the input of the flyback converter 8, the output of which is connected to the power supply circuit of the transmitting channel 1, and the output of the reflected power of the third directional device for separating the incident and reflected powers 6 is connected to agreed load 9.

ППМ АФАР работает следующим образом. В режиме передачи передающий канал 1 через первое направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 3 подает сигнал на выход ППМ АФАР (далее в антенную решетку). Часть мощности, из-за рассогласования антенной решетки, отражается назад в обратном направлении, и снова через первое направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 3, далее через второе направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 4 попадает на защитное устройство 5 приемного канала 2. Отразившись от защитного устройства 5, эта мощность, через второе направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 4, с его выхода отраженной мощности, через третье направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 6, поступает на выпрямитель 7, где частично преобразуется в постоянный ток, энергия которого, с помощью обратноходового преобразователя 8 направляется в цепь питания передающего канала 1 для вторичного использования. Обратноходовой преобразователь 8 представляет собой высокочастотный корректор коэффициента мощности, имеющий вторичную обмотку дросселя для сброса энергии на обратном ходе, накопленной во время прямого хода, во внешнюю цепь (цепь питания передающего канала 1), и создающий при этом оптимальную для КПД выпрямителя 7 постоянную квазиактивную нагрузку. Оставшаяся часть мощности (отраженная вследствие рассогласования), которая не была преобразована выпрямителем 7 в постоянный ток во время переходных процессов на фронтах импульсов мощности рассогласования, отразившись от выпрямителя 7, через третье направленное устройство разделения падающей и отраженной мощностей 6, с его выхода отраженной мощности поступает на согласованную нагрузку 9, где и поглощается. Таким образом, часть мощности, отраженной обратно в ППМ АФАР, из-за рассогласования антенной решетки, используется вторично (рекуперируется) в передающем канале 1 (так как отраженная мощность присутствует во время такта передачи), а не рассеивается в тепло внутри ППМ АФАР. Тем самым, при сохранении эффективности защиты входа приемного и выхода передающего каналов, рекуперация отраженной мощности снижает электропотребление ППМ АФАР, увеличивая тем самым КПД АФАР.APM AFAR works as follows. In the transmission mode, the transmitting channel 1 through the first directional device for separating the incident and reflected powers 3 sends a signal to the output of the AFAR AFM (hereinafter, to the antenna array). Part of the power, due to the mismatch of the antenna array, is reflected back in the opposite direction, and again through the first directional device for separating the incident and reflected powers 3, then through the second directional device for separating the incident and reflected powers 4 it gets to the protective device 5 of the receiving channel 2. Reflected from the protective device 5, this power, through the second directional device for separating the incident and reflected powers 4, from its output of the reflected power, through the third directed device the power of the incident and reflected powers 6, it is supplied to the rectifier 7, where it is partially converted to direct current, the energy of which, with the help of a flyback converter 8, is sent to the power supply circuit of the transmitting channel 1 for secondary use. The flyback converter 8 is a high-frequency power factor corrector having a secondary winding of the inductor to discharge the energy in the reverse stroke, accumulated during the forward stroke, into an external circuit (power supply circuit of the transmitting channel 1), while creating a constant quasi-active load optimal for the efficiency of the rectifier 7 . The remaining part of the power (reflected due to the mismatch), which was not converted by the rectifier 7 to direct current during transients at the edges of the mismatch power pulses, reflected from the rectifier 7, through the third directional device for separating the incident and reflected powers 6, from its output the reflected power arrives on the agreed load 9, where it is absorbed. Thus, part of the power reflected back to the AFAR AFM, due to the antenna array mismatch, is used again (recuperated) in the transmitting channel 1 (since the reflected power is present during the transmission cycle), and is not dissipated into heat inside the AFAR APM. Thus, while maintaining the protection efficiency of the input of the receiving and output of the transmitting channels, the recovery of the reflected power reduces the power consumption of the APM AFAR, thereby increasing the efficiency of the AFAR.

Изобретение предполагает различные варианты его реализации в зависимости от построения направленных устройств разделения падающей и отраженной мощностей. Например, это могут быть наиболее известные ферритовые Y-циркуляторы, а могут быть использованы квадратурные мосты. Квадратурный мост с одинаковыми нагрузками в выходных плечах, относительно входных плеч, функционально эквивалентен циркулятору, при этом имеет гораздо меньшие потери, большую широкополосность и лучшую температурную стабильность. Поэтому, если схемотехнически это представляется возможным, то квадратурному мосту в качестве направленного устройства разделения падающей и отраженной мощности следует отдавать предпочтение. Так в практически реализованном образце ППМ (Фиг 2), работающем на излучатель круговой поляризации с ортогональным питанием, в качестве направленных устройств разделения падающей и отраженной мощностей использованы квадратурные мосты, как для разделения каналов передачи и приема 3, так и в качестве развязывающих устройств приемного канала 2 и выпрямителя 7. Входная часть приемного канала 2 выполнена по схеме балансного усилителя. Этот балансный усилитель, состоящий из двух идентичных усилителей с двухканальным защитным устройством 5, содержит на своем входе квадратурный мост 4, который при срабатывании защитного устройства 5, сбрасывает отраженную мощность в балластную цепь (в данном случае, через развязывающее устройство, в выпрямитель 7). Выпрямитель 7, с применением мощных арсенид галлиевых диодов Шоттки, выполнен по балансной схеме (с квадратурным мостом 6) и состоит из двух одинаковых секций полумостов с удвоением напряжения, работающих на общую нагрузку (обратноходовой преобразователь 8). Секции выпрямителей содержат на своих входах фильтры вторых гармоник. Испытания опытного образца показали, что при импульсной мощности передающего канала 300 Вт (частота f=400 МГц, скважность = 2, КСВн нагрузки = 3) отраженная импульсная мощность составила порядка 80 Вт, а КПД выпрямителя составил 60-70%, причем с ростом частоты следования импульсов (при постоянной скважности, равной двум) КПД выпрямления падал. На частоте следования 200 Гц КПД выпрямителя составил 60%, а на частоте следования 30 Гц уже 70%, при этом реальный КПД АФАР возрос на 5%.The invention involves various options for its implementation, depending on the construction of directional devices for separating incident and reflected powers. For example, these may be the most famous ferrite Y circulators, or quadrature bridges can be used. A quadrature bridge with the same loads in the output arms, relative to the input arms, is functionally equivalent to a circulator, while it has much smaller losses, greater broadband and better thermal stability. Therefore, if it seems possible in circuitry, then a quadrature bridge as a directional device for separating incident and reflected power should be preferred. So in a practically implemented PPM sample (Fig. 2), operating on a circular polarization emitter with orthogonal power, quadrature bridges are used as directional devices for separating the incident and reflected powers, both for separating the transmission and reception channels 3 and as decoupling devices for the receiving channel 2 and rectifier 7. The input part of the receiving channel 2 is made according to the balanced amplifier circuit. This balanced amplifier, consisting of two identical amplifiers with a two-channel protective device 5, contains at its input a quadrature bridge 4, which, when the protective device 5 is triggered, dumps the reflected power into the ballast circuit (in this case, through the decoupling device, into the rectifier 7). Rectifier 7, using powerful arsenide of gallium Schottky diodes, is made according to a balanced scheme (with a quadrature bridge 6) and consists of two identical sections of half-bridges with voltage doubling, working on a common load (flyback converter 8). The rectifier sections contain second harmonic filters at their inputs. Tests of the prototype showed that at a pulsed power of the transmitting channel 300 W (frequency f = 400 MHz, duty cycle = 2, SWR load = 3), the reflected pulsed power was about 80 W, and the efficiency of the rectifier was 60-70%, and with increasing frequency following pulses (with a constant duty cycle equal to two), the rectification efficiency decreased. At a repetition rate of 200 Hz, the efficiency of the rectifier was 60%, and at a repetition rate of 30 Hz it was already 70%, while the actual efficiency of the AFAR increased by 5%.

Таким образом, применение ППМ АФАР разработанной конструкции позволяет при сохранении эффективности защиты входа приемного и выхода передающего каналов ППМ АФАР повысить КПД АФАР.Thus, the use of APM AFAR of the developed design allows, while maintaining the protection efficiency of the input of the receiving and output transmitting channels of the APM AFAR, to increase the efficiency of the AFAR.

Claims

A transceiver module of an active phased antenna array containing transmitting and receiving channels, a first directional device for separating incident and reflected powers, the input of the incident power of which is connected to the output of the transmitting channel, and the output of the reflected power is connected to the input of the incident power of the second directional device for separating the incident and reflected power, which through a protective device is connected to the input of the receiving channel, characterized in that the output of the reflected power of the second directional of a device for separating incident and reflected powers is connected to the input of incident power of a third directional device for separating incident and reflected powers connected to a rectifier loaded at the input of the flyback converter, the output of which is connected to the power supply circuit of the transmitting channel, while the output of the reflected power of the third directional device for separating incident and reflected power connected to the agreed load.