Передающая система импульсной радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой

Передающая система импульсной радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации, в частности в передающих устройствах малогабаритных импульсных радиолокационных станций (РЛС) малой и средней дальности действия с фазированными антенными решетками (ФАР) для формирования радиоимпульсов требуемого уровня мощности.

При проектировании импульсной РЛС с ФАР оптимизация передающей системы носит многоцелевой характер и включает обеспечение устойчивого рабочего режима передающей системы в сочетании с получением возможно большей выходной мощности, снимаемой с полупроводниковых приборов [1], в условиях повышенных эксплуатационных требований, таких как высокая мобильность РЛС, транспортируемость, необходимость развертывания РЛС без применения техники, требования по минимальной массе РЛС с сохранением тактико-технических характеристик, способность работать при воздействии различных климатических и механических факторов.

Известные радиолокационные передатчики, в конструкции которых активные узлы распределены по антенным элементам [2] в случае оптимизации по массогабаритным показателям в РЛС с ФАР с уменьшенным количеством элементов и конструктивным разнесением активных узлов на антенне, характеризуются недостаточно эффективным сочетанием характеристик: надежность передающей системы - мобильность РЛС.

Известно «Твердотельное передающее устройство импульсной РЛС» [3]. Передающее устройство (ПУ) импульсной РЛС содержит возбудитель, делитель входной мощности, блоки усилителей мощности (БУМ), сумматор выходной мощности. Каждый БУМ состоит из модулятора, устройства защиты, делителя мощности, усилителей и сумматора мощности. Применение данного устройства в качестве ПУ малогабаритной импульсной РЛС не рационально, так как требует сложной настройки каждого усилителя мощности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по схемотехническому и конструктивному решению является принятая за прототип «Передающая система импульсной РЛС с ФАР» [4], содержащая твердотельное микрополосковое устройство возбуждения, формирования и усиления зондирующих импульсов (УВФУЗИ), получающее напряжение от вторичного источника питания. УВФУЗИ содержит синхронизатор, возбудитель, формирователь зондирующих импульсов, делитель мощности, усилительные каналы. Каждый усилительный канал состоит из последовательно соединенных первого балансного усилителя мощности (БУМ), многоразрядного фазовращателя, второго БУМ, оконечного усилителя мощности (ОУМ) и антенного коммутатора, на выходе которого установлен направленный ответвитель. УВФУЗИ снабжено средствами улучшения его электрических характеристик. В качестве средств улучшения электрических характеристик УВФУЗИ в схему передающей системы введены общий импульсный модулятор (ИМ) и устройство амплитудно-фазовой коррекции усилительных каналов, предназначенное для компенсации неуправляемых фазовых сдвигов импульсных сигналов и совмещения схемы формирования диаграммы направленности ФАР с передающей системой. Конструктивное исполнение передающей системы предусматривает размещение ее гибридно-интегральных узлов на трех отдельных подложках, совмещенных с несущими полками герметичного корпуса - единого контейнера РЛС, с выполнением крайних из них в виде теплоотводящих стенок корпуса и снабженных снаружи ребрами охлаждения-жесткости и группированием возбудителя, формирователя и общего ИМ на одной, усилительных каналов с делителем мощности на второй крайней стенке корпуса и остальных функциональных блоков передающей системы внутри корпуса на центральной подложке.

Недостатками передающей системы прототипа являются неремонтопригодность единого контейнера РЛС в эксплуатирующей организации (контейнер выполнен в герметичном исполнении, с гибридно-интегральными узлами, совмещенными с несущими полками, так что при выходе из строя отдельных его элементов необходим возврат контейнера для ремонта на предприятие-изготовитель), а также наличие дополнительной достаточно сложной системы амплитудно-фазовой коррекции, соединенной с системой управления, необходимой для подстройки каждого усилительного канала.

Технический результат предлагаемого изобретения - улучшение технико-эксплуатационных характеристик передающей системы, а именно повышение надежности, уменьшение массогабаритных характеристик и повышение ремонтопригодности за счет оптимизации схемотехнического и конструктивного решения с сохранением конструктивной прочности и выполнения передающей системы в виде функционально-законченных электронных модулей.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известную систему, представляющую собой передающее устройство (ПУ), содержащее устройство формирования зондирующих импульсов (УФЗИ), вход которого подключен к системе хронизации РЛС, а выход - к первому делителю мощности, двумя выходами подключенному к первым входам двух первых усилителей мощности (ПУМ), N вторых усилителей мощности (ВУМ), соединенных своим выходом с входом одного из N ферритовых развязывающих устройств (ФРУ), причем ПУ размещено в корпусе - едином контейнере импульсной РЛС, введены первый и второй сумматоры мощности, второй делитель мощности, устройство формирования напряжения смещения (УФНС) и делитель с амплитудно-фазовым распределением и устройствами коммутации (ДАФР), при этом вторые входы всех ПУМ и ВУМ соединены соответственно с первым и вторым выходами УФНС, выходы ПУМ через первый сумматор мощности и второй делитель мощности соединены с первыми входами ВУМ, а выходы всех ФРУ через первый выход второго сумматора мощности, второй выход которого подключен к системе контроля РЛС, - со входом ДАФР, М выходов которого являются выходом ПУ, при этом конструктивное исполнение передающей системы предусматривает оптимальное функционально-эксплуатационное группирование, в частном случае в виде трех функционально-законченных модулей, размещаемых на стенках корпуса - единого контейнера импульсной РЛС, выполненных в виде отдельных корпусов, один из которых, состоящий из первого делителя мощности, первых усилителей мощности, первого сумматора мощности, второго делителя мощности, вторых усилителей мощности, ФРУ, УФНС и второго сумматора мощности, снабженный ребрами охлаждения, устанавливается в отверстие в стенке контейнера ребрами наружу, причем данная стенка контейнера для обеспечения доступа к аппаратуре внутри корпуса контейнера выполнена в виде откидной крышки, а другие два модуля, состоящие из УФЗИ и ДАФР, соответственно прикреплены к стенкам корпуса изнутри.

Применение в предложенной схеме первых и вторых усилителей мощности, выполненных на полевых транзисторах вместо базовых усилителей мощности с общим усилителем мощности, позволило обеспечить больший коэффициент усиления и КПД, а также уменьшить количество каскадов усиления и число активных элементов схемы, повысив при этом надежность, и снизить массогабаритные характеристики передающего устройства. Повышению надежности способствует и улучшение теплоотвода от тепловыделяющих элементов, снижение рабочей температуры элементов и, соответственно, улучшение условий работы транзисторов. Улучшение ремонтопригодности передающего устройства достигается за счет выполнения передающей системы в виде функционально-законченных, быстросъемных электронных модулей, электрически соединенных между собой при помощи СВЧ и низкочастотных разъемов, устанавливаемых в легко открываемый брызгозащищенный контейнер с приемопередающей аппаратурой, что обеспечивает удобство замены электронных модулей в процессе эксплуатации.

Для пояснения описываемого объекта на фигуре 1 изображена структурная схема одного из вариантов передающего устройства (ПУ).

На фигуре 2 изображена конструкция передающей системы в виде трех функционально-законченных модулей.

На фигуре 3 показана конструкция корпуса - единого контейнера РЛС с модулями передающей системы.

На фигуре 1 введены следующие обозначения (не показан источник питания):

1 - устройство формирования зондирующих импульсов (УФЗИ);

2 - первый делитель мощности (ПДМ);

3 - первый усилитель мощности (ПУМ);

4 - первый сумматор мощности (ПСМ);

5 - устройство формирования напряжения смещения (УФНС);

6 - второй делитель мощности (ВДМ);

7 - второй усилитель мощности (ВУМ);

8 - ферритовое развязывающее устройство (ФРУ);

9 - второй сумматор мощности (ВСМ);

10 - делитель с амплитудно-фазовым распределением и устройствами коммутации (ДАФР).

Предлагаемое ПУ содержит устройство формирования зондирующих импульсов УФЗИ 1, первый делитель мощности ПДМ 2, два усилителя мощности первого типа ПУМ 3 (в прототипе первый БУМ), первый сумматор мощности ПСМ 4, устройство формирования напряжения смещения УФНС 5, второй делитель мощности ВДМ 6, три усилителя мощности второго типа ВУМ 7 (в прототипе второй и основной БУМ), три ферритовых развязывающих устройства ФРУ 8, второй сумматор мощности ВСМ 9 с направленным ответвителем и амплитудным детектором, делитель с амплитудно-фазовым распределением и устройствами коммутации ДАФР 10.

Вход УФЗИ 1 подключен к системе хронизации РЛС и одновременно является входом ПУ, а выход - к входу ПДМ 2, два выхода которого подключены к первым входам ПУМ 3. Вторые входы ПУМ 3 и ВУМ 7 подключены к первому и второму выходам УФНС 5 соответственно. Выходы ПУМ 3 соединены с входами ПСМ 4, выход которого соединен с входом ВДМ 6, его выходы подключены к первым входам ВУМ 7, каждый ВУМ 7 соединен своим выходом с входом одного из N ФРУ 8, причем выходы всех ФРУ 8 через первый выход ВСМ 9 соединены с ДАФР 10, М выходов которого являются выходом ПУ. Второй выход ВСМ 9 подключен к системе контроля РЛС.

Усилители ПУМ 3, ВУМ 7 выполнены на полевых транзисторах, подобранных таким образом, чтобы обеспечить максимальный коэффициент усиления и КПД, при этом уровень выходного сигнала должен обеспечивать оптимальный режим работы последующего устройства.

Устройство формирования напряжения смещения УФНС 5 представляет собой микросхему стабилизированного напряжения питания с набором резистивных делителей.

Делитель ПДМ 2 и сумматор ПСМ 4 выполнены в виде последовательно или бинарно соединенных квадратурных делителей/сумматоров мощности на основе кольцевого делителя/сумматора.

Второй делитель мощности ВДМ 6 выполнен по многолучевой схеме и дополнен балластными резисторами.

Второй сумматор мощности ВСМ 9 выполнен по схеме - многолучевая звезда, в которой в качестве развязки выступают ФРУ 8. Ферритовое развязывающее устройство 8 представляет собой циркулятор, содержащий поперечно намагниченный ферритовый вкладыш с согласованной нагрузкой.

ПУ работает следующим образом.

С системы хронизации РЛС на УФЗИ 1 поступают сигналы, задающие требуемый режим работы изделия: длительность зондирующих импульсов и период их повторения. На выходе УФЗИ 1 сформированы радиочастотные импульсы требуемой амплитуды и длительности. После равноамплитудного разделения в ПДМ 2 они поступают на первый вход ПУМ 3. Режим работы ПУМ 3 задается путем подбора напряжения питания на втором входе с помощью УФНС 5 и выбирается таким образом, чтобы реализовать минимальный разброс амплитудно-частотных характеристик и обеспечить требуемый уровень входного сигнала для ВУМ 7.

Усиленный сигнал с ПУМ 3 проходит через ПСМ 4 и ВДМ 6 и поступает на первые входы ВУМ 7. После усиления на ВУМ 7, сигналы, пройдя через устройства ФРУ 8, поступают на входы ВСМ 9. (В общем случае количество N ВУМ 7 и ФРУ 8 может быть более трех.)

Конструктивно второй сумматор мощности 9 объединен на одной плате с направленным ответвителем (НО) и амплитудным детектором. НО необходим для направленного ответвления части высокочастотного сигнала на амплитудный детектор, продетектированный сигнал со второго выхода ВСМ 9 поступает на систему контроля РЛС. Первый, высокочастотный, выход ВСМ 9 соединен с входом ДАФР 10, состоящего из делителя 1:М с амплитудно-фазовым распределением и М устройств коммутации прием-передача.

Таким образом, применение в предложенной схеме усилителей мощности, выполненных на полевых транзисторах, позволило обеспечить больший коэффициент усиления и КПД, что привело к уменьшению количества каскадов усиления и числа элементов схемы, повысив при этом надежность. Использование на выходе делителя 1:М высокочастотного сигнала с требуемым амплитудно-фазовым распределением и встроенными устройствами коммутации позволяет подключать непосредственно к выходу ПУ вход антенны с заданной диаграммой направленности на передачу.

На фигуре 2 изображен частный случай конструкции функционально-законченного усилительного модуля (УМ) 16, состоящего из ПДМ 2, двух ПУМ 3, ПСМ 4, ВДМ 6, трех ВУМ 7, трех ФРУ 8, УФНС 5 и ВСМ 9, размещенного в едином корпусе 11. В данной конструкции ПДМ 2, ПСМ 4, ВДМ 6, ФРУ 8, УФНС 5, ВСМ 9 выполнены в виде полосковых СВЧ плат, при помощи пайки установленных на внутреннюю сторону корпуса 11 усилительного модуля, обратная сторона которого выполнена в виде ребер и является радиатором. Установка ПУМ 3, ВУМ 7 непосредственно на дно корпуса 11 позволяет обеспечить наилучшие условия теплоотвода, что обеспечивает оптимальный режим работы транзисторов и, соответственно, увеличивает надежность ПУ.

На фигуре 3 показана конструкция корпуса - единого контейнера РЛС с установленными внутри него модулями передающей системы:

а - в случае с закрытыми крышками;

б - в случае с открытыми крышками.

Корпус - единый контейнер РЛС конструктивно выполнен в виде брызгозащищенного корпуса 12 и откидывающихся на петлях 13 крышек 14, 15, а аппаратура внутри контейнера выполнена в виде быстросъемных модулей, электрически соединенных между собой при помощи СВЧ и низкочастотных разъемов. Внутри контейнера размещена аппаратура передающей системы, конструктивно выполненная в виде электронных модулей 1-го уровня: УФЗИ 1, УМ 16, ДАФР 10. Для обеспечения оптимальных условий теплоотвода от ПУМ 3, ВУМ 7 обратная сторона корпуса 11 УМ 16 выполнена в виде радиатора и устанавливается в отверстие крышки 14. Для замены электронных модулей 1-го уровня необходимо открыть откидные крышки 14 или 15 (в зависимости от расположения модулей внутри корпуса - единого контейнера РЛС), отсоединить высокочастотные и низкочастотные кабели от снимаемого модуля путем отсоединения разъемов, отвернуть винты крепления снимаемого модуля. Крышка 15 может быть выполнена как просто съемной, так и откидывающейся на петлях, в зависимости от наличия или отсутствия аппаратуры, размещаемой непосредственно на внутренней поверхности крышки.

Предлагаемая передающая система импульсной радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой в настоящее время изготовлена и серийно выпускается.

Таким образом, за счет уменьшения числа активных элементов схемы, улучшения теплоотвода от тепловыделяющих элементов, снижается рабочая температура элементов и, соответственно, улучшаются условия работы транзисторов. Снижение массогабаритных характеристик передающего устройства достигается уменьшением числа активных элементов схемы. Улучшение ремонтопригодности передающего устройства достигается за счет выполнения передающей системы в виде функционально-законченных, быстросъемных электронных модулей, электрически соединенных между собой при помощи СВЧ и низкочастотных разъемов, устанавливаемых в легко открываемый брызгозащищенный контейнер с приемопередающей аппаратурой, что обеспечивает удобство замены электронных модулей в процессе эксплуатации.

Источники информации

1. Широкополосные радиопередающие устройства (Радиочастотные тракты на полупроводниковых приборах). Под редакцией О.В. Алексеева. М., Связь, 1978 г., с.270-271.

2. Заявка Германии №19931928, G01S 7/03, 2001 г.

3. Патент РФ №2327184, G01S 7/484, 2006 г.

4. Патент РФ №2295738, G01S 7/282, H04B 1/034, 2005 г.

Передающая система импульсной радиолокационной станции (РЛС), представляющая собой передающее устройство (ПУ), содержащее устройство формирования зондирующих импульсов (УФЗИ), вход которого подключен к системе хронизации РЛС, а выход - к первому делителю мощности (ПДМ), двумя выходами подключенному к первым входам двух первых усилителей мощности (ПУМ), N вторых усилителей мощности (ВУМ), соединенных своим выходом со входом одного из N ферритовых развязывающих устройств (ФРУ), причем ПУ размещено в корпусе - едином контейнере импульсной РЛС, отличающееся тем, что ПУМ и ВУМ выполнены на полевых транзисторах и в устройство введены первый и второй сумматоры мощности, второй делитель мощности (ВДМ), устройство формирования напряжения смещения (УФНС) и делитель с амплитудно-фазовым распределением и устройствами коммутации (ДАФР), при этом вторые входы всех ПУМ и ВУМ соединены соответственно с первым и вторым выходами УФНС, выходы ПУМ через первый сумматор мощности и ВДМ соединены с первыми входами ВУМ, а выходы всех ФРУ через первый выход второго сумматора мощности, второй выход которого подключен к системе контроля РЛС, - со входом ДАФР, М выходов которого являются выходом ПУ, причем конструктивное исполнение передающей системы предусматривает функционально-эксплуатационное группирование в виде N функционально-законченных модулей, размещаемых на стенках корпуса - единого контейнера импульсной РЛС, выполненных в виде отдельных корпусов, один из которых, состоящий из ПДМ, ПУМ, первого сумматора мощности, ВДМ, ВУМ, ФРУ, УФНС и второго сумматора мощности, снабженный ребрами охлаждения, устанавливается в отверстие в стенке контейнера ребрами наружу, причем данная стенка контейнера для обеспечения доступа к аппаратуре внутри корпуса контейнера выполнена в виде откидной крышки, а другие два модуля, состоящие из УФЗИ и ДАФР, соответственно, прикреплены к стенкам корпуса изнутри.