3.4.3 Основы построения сложнофункциональной монолитной интегральной схемы
Чаще всего аттенюатор, фазовращатель и переключатель размещают вместе в виде так называемой сложно функциональной монолитной интегральной схемы (СФМИС). Структурная схема СФМИС представлена на рисунке 42
3.4.4 Расчет габаритных размеров корпуса ППМ
Габаритные размеры корпуса ППМ имеют очень большое значение с точки зрения выбора исполнения элементной базы. Они определяются и исходя из размеров модуля антенного полотна. Для обеспечения возможности крепления МАП к каркасу антенной решетки размеры ППМ выбираются меньше. К тому же при проектировании и расчете корпуса ППМ необходимо брать в расчет расположение излучателей в антенной решетке относительно друг друга. Вдобавок, АФАР излучает достаточно большую мощность, в результате чего выделяется большое количество тепла. В таком случае чаще всего используются системы жидкостного охлаждения. В результате необходимо предусмотреть расстояние по вертикали между рядами ППМ. Исходя из всего выше сказанного мной были получены следующие эскизы корпуса ППМ.
На рисунке 43 изображены виды спереди и сзади корпуса ППМ с основными размерами.
На рисунке 44 представлены габаритные размеры корпуса ППМ (вид сверху).
3.4.5 Выбор элементной базы.
Одной из особенностей при проектировании данной АФАР является использование отечественной элементной базы. Для проектирования ППМ по структурной схеме, изображенной на рисунке (41), необходимо выбрать следующие узлы:
— Предусилитель мощности;
— СФМИС;
— Переключатели (Коммутаторы);
— Ограничитель;
— Выходной усилитель;
— Малошумящий усилитель (МШУ);
— Циркулятор
— Делитель.
Проведя анализ современного отечественного рынка радиоэлектронных средств, я выбрал несколько вариантов компонентов, удовлетворяющих требованиям ТЗ.
3.4.5.1 Выбор циркулятора.
Основными параметрами циркулятора являются: — Количество плеч; — Диапазон рабочих частот; — Прямые потери; — Обратные потери; — КСВн по входу; — Массогабаритные показатели. Так как нам необходимо разделить только лишь приемную и передающую части, то количество плеч, которое нам потребуется равно 3. Диапазон частот 9,7 – 10,3 ГГц. 53 Ниже приведена таблица (11) моделей циркуляторов производства компании НП ОАО «ФАЗА», работающих в заданной полосе частот, и их основных параметров.
Также были отобраны модели циркуляторов, работающих в полосе частот 9,7-10,3 ГГц, производства ОАО «Завод Магнетон» (12)
3.4.5.2 Выбор сложнофункциональной МИС.
Анализ рынка показал, что на сегодняшний день производство данного вида продукции отечественными предприятиями освоено плохо. Однако была найдена одна сложно функциональная монолитная интегральная схема (СФ СВЧ МИС) X-диапазона частот производства АО «НИИПП». Так как core-чип содержит в себе и перестраиваемый фазовращатель, и перестраиваемый аттенюатор, и выходной переключатель параметры, предъявляемые к данному узлу, будут рассмотрены отдельно. Для управления амплитудным и фазовым распределением антенной решетки необходимо перестраивать фазу и ослаблять сигнал в каждом канале с минимальным шагом для того, чтобы уменьшить ошибку округления значения. В современных фазовращателях используется 6 разрядов фазовращателя, что позволяет сдвигать сигнал на 5,6250. Аттенюаторы чаще всего имеют 6 разрядов с минимальным шагом 0,5 дБ или 5 разрядов с минимальным шагом 0,75 дБ. Основным параметром переключателя является развязка между переключаемыми каналами, а также прямые и обратные потери [15]. Основные параметры МИС core-чип приведены в таблице 13.
Таблица 13 – Основные параметры core-чипа MSM204/205
Из таблицы следует, что уровень мощности на выходе МИС не должен превышать -10 дБ (100 мВт).
3.4.5.3 Выбор предусилителей и МШУ
Основными параметрами усилителя мощности являются:
— Диапазон частот;
— Коэффициент усиления;
— Коэффициент шума;
— Максимальная мощность;
— Неравномерность коэффициента усиления.
Усилители с подходящими параметрами приведены в таблице 14.
Таблица 14 – Усилители
Примечание: допустимая входная мощность для М421156 не более 100 мВт (-10 дБ). Продукция компании ФГУП «НПП «Исток» представлена в большем объеме, так как производство остальных участников рынка бескорпусных усилителей мощности X-диапазона частот либо освещено недостаточно, либо вообще отсутствует [16].
3.4.5.4 Выбор оконечного усилителя
Анализ рынка отечественных усилителей мощности показал, что на настоящий момент усилители выходной мощности до 5-10 Вт в интегральном исполнении отсутствуют. Следовательно, необходимо выбрать усилитель зарубежного производства. На настоящий момент пользуются популярностью усилители производства «TriQuint». У производителя широкая линейка усилителей Х-диапазона частот с требуемой выходной мощностью. В таблице 15 приведены варианты выходных усилителей.
Помимо этого были рассмотрены усилители производства компании «Hittite» и «MicrowaveTechnologies». К сожалению данные компании не выпускают усилителей способных обеспечить на выходе более 3 Вт.
3.4.5.5 Выбор ограничителя
Основной задачей ограничителя в приемопередающем устройстве является защита малошумящего усилителя от высокого уровня входной мощности, превышающей предельно допустимое значение. Существует два способа просачивания мощности. Первый способ – прямое прохождение сигнала через циркулятор. Данная мощность можно принять равной выходной мощности передающего канала (примерно 7 дБ). Второй способ – просачивание мощности в циркуляторе (обратные потери). Это значение составляет примерно -13 дБ (17 дБм). В ходе анализа отечественного рынка ограничителей возможно обеспечить защиту МШУ только лишь от высокой мощности. Рассмотрим следующие варианты построения ограничительных устройств. Первый вариант основан на использовании отечественного ограничителя, обеспечивающего защиту от «высокой мощности» и поставленного параллельно диода Шоттки, обеспечивающего защиту от «малой мощности». Второй вариант представляет собой использование последовательно включенного pin-диодного ограничителя и также параллельно соединенного диода Шоттки. Данный вариант не располагает возможностью использования отечественной элементной базой. В таблице 16 приведены основные параметры диодов Шоттки.
Таблица 16 – параметры диодов Шоттки
Основными характеристиками ограничительных устройств являются:
— Полоса частот;
— Максимальная допустимая входная мощность;
— Мощность просачивания.
В таблице 17 приведены некоторые модели отечественных
ограничительных устройств и их основные параметры.
Таблица 17 – Модели отечественных ограничительных устройств
Примечание: 100% контроль на пластине при входной мощности 0-30 дБм.
При прохождении core-чипа сигнал ослабляется на величину начальных потерь (потери при прохождении core-чипа). Следовательно, в цепи на передачу перед ним целесообразно включить в схему предусилитель. Для того чтобы развязать приемную и передающую части внесем в схему два переключателя.
3.4.5.6 Выбор переключателя.
Основными параметрами переключателя являются:
— диапазон рабочих частот;
— ток управления на 1 канал;
— прямые потери;
— обратные потери;
— развязка между переключаемыми каналами [15].
Модели и параметры переключателей приведены в таблице 18.
Таблица 18 – Модели и параметры переключателей
3.4.5.7 Выбор делителя
При выборе делителя следует руководствоваться следующими характеристиками:
— Полоса частот;
— Прямые потери;
— Обратные потери;
— Развязка между каналами.
К тому же необходимо учитывать то, что модель должна быть в бескорпусном исполнении. В таблице 19 приведены модели делителей, а также их основные характеристики.
Таблица 19 – Модели делителей
Стоит отметить, что отечественный рынок делителей мощности в большей степени богат на делители в корпусном варианте производства. Была проанализирована продукция следующих предприятий: ФГУП «НПП Исток», АО «НИИПП», АО «НПП «ФАЗА»», «Амитрон Электроникс». Что же касается бескорпусных, то в свободных источниках была найдена лишь одна модель , приведенная в таблице (19). Структурная схема сумматора 4:1 для ППМ представлена на рисунке 46.
3.4.5.8 Определение требований к цифровой части ППМ
Цифровая часть ППМ состоит преимущественно из микросхемы управления фазовращателями и аттенюаторами. Анализ отечественного рынка микропроцессоров авиационного назначения показал, что на сегодняшний день особого успеха в данной области добилась компания «Миландр». Микросхемы данной компании позволяют обмениваться данными с помощью интерфейса SPI, что является необходимым для применения в рассматриваемой АФАР. Одним из основных условий является то, что с микросхемы должны поступать несколько сигналов управления одновременно (параллельно). Рассчитаем количество разрядов управления. Фазовращатель имеет 6 дискретов управления, аттенюатор – 5, ключи core чипа -1, входные переключатели MSW202-01 –1 (каждый). С учетом того, что в одном ППМ 4 канала получим (27):
р = (6 + 5 + 1 + 1 ∗ 2) ∗ 4 = 56 (27)
р— количество разрядов управления.
Количество разрядов можно уменьшить (31), приняв во внимание тот факт, что все ключи каждого из каналов должны быть выставлены либо на прием, либо на передачу. Следовательно, ими можно управлять параллельно. Тогда на управление всеми ключами ППМ потребуется 1 разряд управления.
р = (6 + 5) ∗ 4 + 1 = 45 (28)
3.4.6 Построение структурной и электрической принципиальной схем СВЧ тракта ППМ
В таблице 20 приведены основные узлы ППМ, их модели и габариты.
Таблица 20 – основные узлы ППМ
Структурная схема ППМ состоит из четырех каналов и делителя сумматора 1:4. Структурная схема одного канала ППМ изображена на рисунке (47).
Сигнал после сумматора-делителя 1:4 поступает на каждый из четырех каналов ППМ. Далее он поступает на переключатель, выставленный в положение на передачу, после чего поступает на предусилитель, назначение которого нивелировать потери при прохождении в СФМИС, далее снова переключатель, выставленный на передачу, и поступает на core-чип, где происходит изменение его фазы и амплитуды на заранее выставленную величину. Для режима на передачу положение переключателя core-чипа должно быть выставлено в положении ПРД. Далее сигнал попадает на предусилитель мощности, где он раскачивается до требуемого уровня входной мощности оконечного усилителя, к тому же он нивелирует потери при прохождении сигналом core-чипа. После этого сигнал попадает на выходной усилитель, где достигает требуемого уровня мощности с учетом прямых потерь последующего циркулятора. Далее сигнал попадает на циркулятор. Из плеча 1 циркулятора сигнал попадает в плечо 2, после чего он поступает на излучатель. Принцип работы на прием заключается в следующем: сигнал поступает с излучателя на 2 вход циркулятора. Сигнал выходит из третьего плеча циркулятора, после чего поступает на ограничитель. Назначение ограничителя в том, чтобы не пропустить просачивающийся из передающего канала мощность, способную вывести из строя МШУ. После ограничения он попадает на первый каскад малошумящего усилителя, затем на второй. Далее сигнал попадает на вход ПРМ переключателя core-чипа, изменяется по фазе и амплитуде и после двух переключателей поступает на вход сумматора-делителя 1:4. После выбора всех узлов ППМ необходимо рассчитать мощности, которые через них проходят. Примем входную мощность приходящую на делитель минус 2 дБм. Расчет мощностей цепи на передачу в дБм
вых = Рвх –Lп1– L(4:1) –Lп2+Gпу1-Lcore-чип+ Gпу2+ Gпу3 + Gоу-Lzirk
вых = −2 − 2 + 13 − 2 − 7 + 10 + 4 + 28 − 0,4−= 38,6 дБм> 7 дБ
Для того, чтобы обеспечить стабильность управления фазовращателем, аттенюатором и переключателями необходимо поставить в параллель конденсаторы. Чаще всего ставят конденсаторы двух или трех номиналов. В СВЧ цепи необходимо отфильтровать пульсации по питанию. Для этого ставим последовательно конденсатор. В таблице (21) представлены модели отечественных СВЧ конденсаторов.
Таблица 21 – Конденсаторы «НИИ Гириконд»
| Производитель | Наименование
модели |
Номиналы | Предельная
частота, ГГц |
| «НИИ Гириконд» | К10-71 | 0,47-3300 пФ | 45 |
К сожалению, отечественных производителей СВЧ конденсаторов нетак много. Была выбрана линейка наиболее распространенных и ,возможно, единственных в своем роде конденсаторов К10-71. Данная модель отвечает требованиям по предельно допустимой частоте, а также по номиналам емкости. Также необходимо определить номиналы питания и управления узлов СВЧ тракта приемо-передающего модуля.
Таблица 22 – Номиналы питания
3.4.7 Расчет коэффициента шума
После построения структурной схемы и выбора всех составных частей ППМ необходимо рассчитать коэффициент шума на выходе ППМ. Для расчета коэффициента шума необходимо воспользоваться формулой (29) [17].
(29)
Ш1 – коэффициент шума первого каскада;
Ш2 – коэффициент шума второго каскада;
Ш3 – коэффициент шума третьего каскада;
G1 – коэффициент усиления первого каскада;
G2 – коэффициент усиления второго каскада.
Ш1 = 110 ∗цирк ∗огран(30)
Ш2 = 110(31)
Ш3 = 110 ∗∗перекл∗перекл(32
Примем во внимание, что 1 = 110 и 2 = 110 . Подставив известные значения из п. 3.4.5 получим ш = 3,6173 дБ. Полученное значение коэффициента шума удовлетворяет требованиям предъявляемым к ППМ. Электрическая схема, включающая основные СВЧ узлы, а также функционал микросхемы управления приведена на рисунке 48.
3.5 Разработка СВЧ распределительной системы
3.5.1 Структурная схема и основные принципы построения.
АФАР разрабатывается для авиационного применения, а измерители угловых координат таких системы строятся по принципу моноимпульсных (с целью определения угловых координат с высокой точностью для наведения управляемых ракет воздух-воздух), то решетку необходимо разделить на 4 квадранта [17]. В результате количество каналов в каждом квадранте составляет 768/4=192. Так как разрабатываемый ППМ четырехканальный, получаем 192/4= 48 ППМ, которые необходимо объединить. Число 48 невозможно представить как 2 в какой-либо степени. Следовательно, придется прибегнуть к неравномерному делению. Разобьем СВЧ распределительную систему на два каскада. Первый каскад будет представлять собой систему сумматоров – делителей малой кратности. Архитектура антенной решетки подтолкнула к выбору сумматоров-делителей с количеством входов 4 и 2. В результате было решено использовать 4 сумматора-делителя 2:1 и 10 сумматоров делителей 4:1. Итого: в результате первого каскада суммирования получаем 14 каналов, причем 4 из которых отличаются по мощности в два раза, а точнее меньше на 3 дБ. Второй каскад суммирования объединим в одно устройство, которое назовем СВЧ распределительная плата. Оно состоит из 14 входных и одного выходного канала. Упрощенная структурная схема СВЧ РС представлена на рисунке 49
3.5.2 Разработка сумматора – делителя 2:1
Основные этапы разработки сумматора-делителя:
— выбор схемы построения;
— выбор материалов (диэлектрик и проводник);
— выбор толщины подложки;
— выбор элементной базы (резистор);
— построение топологии.
Выберем схему кольцевого делителя мощности. Схема представлена на рисунке 50. Основным преимуществом данной схемы является высокая развязка между каналами.
Выберем материал подложки. Отечественное производство располагает двумя видами диэлектриков: фольгированные и керамические. Так как первые проще в обработке, проанализируем их основные разновидности, коими являются ФЛАН, ФАФ и ФФ. В таблице приведены фольгированные диэлектрики отечественного производства и их основные параметры (таблица 23).
Таблица 23 – Основные марки фольгированных диэлектриков
По причине того, что размеры делителя во многом зависят от длины волны, ее необходимо уменьшить.
С целью миниатюризации выберем материал диэлектрика с достаточно большой диэлектрической проницаемостью ФЛАН-16. 69 При выборе толщины подложки руководствуются двумя факторами, а именно: размерами и тем, что устройство пассивное. Примем толщину подложки равной 1 мм. Рассчитаем основные параметры делителя. Входное сопротивление Z0=50 Ом. Номинал резистора определяется исходя из формулы (33).
= 2 ∗0 (33)
Волновое сопротивление кольца Zк рассчитывается по формуле (34).
= 0 ∗ √2 (34)
Диаметр кольца определяется по формуле (35).
Также необходимо выбрать тип резистора. Номинал резистора, исходя из формулы (34), должен составлять 100 Ом. Основные модели и параметры отечественных СВЧ-резисторов приведены в таблице 24.
При разработке топологии необходимо учесть размеры резистора. Основные технические требования приведены в таблице 25.
Таблица 25 – Основные требования к сумматору 2:1
При разработке сумматора необходимо учитывать не только габаритные размеры, но и расположение входных каналов ППМ. С целью унификации будем использовать диэлектрик ФЛАН-16. Толщину подложки выберем равной 1 мм. Проектирование и оптимизация параметров сумматора- делителя производилась в AWR MicrowaveOffice. [18]. После длительной оптимизации электрических и геометрических параметров была получена топология сумматора-делителя, изображенная на рисунке (51). Ширина микрополосков с волновым сопротивлением 70 Ом составляет – 0,95 мм, а с волновым сопротивлением 50 Ом – 2 мм.
Построим график зависимости коэффициента передачи от частоты (рисунок 52).
На графике видно, что коэффициент передачи не превышает -3,2 дБ и составляет -3,181 дБ на частоте 9,7 ГГц, -3,173 дБ на частоте 10 ГГц и -3,154 на частоте 10,3 ГГц. Построим график зависимости развязки между каналами от частоты (рисунок 53).
Проанализировав зависимость S32 от частоты, можно заметить, что развязка не превышает -23 дБ, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сумматору. Далее необходимо сконструировать корпус сумматора. Недостающие размеры возьмем, исходя из размеров МАП и ППМ. На рисунке 54 представлены эскизы делителя 2:1.
С целью унификации разъемы будут использоваться те же, что и для излучателей. Так как разъемы обладают диаметром примерно 4 мм,минимальная толщина сумматора должна составлять не менее 8 мм. Центральная жила разъема расположена посередине сумматора, следовательно, на таком же уровне должна быть расположена и плата. Для того чтобы не утяжелять конструкцию предусмотрим ступеньку, на которую в последствии и будет припаяна плата.
3.5.3 Разработка сумматора – делителя 4:1
Сумматор делитель 4:1 будет представлять двухкаскадный кольцевой делитель. Требования предъявляемые к сумматору представлены в таблице26.
Таблица 26 – Основные требования к сумматору 2:1
В результате моделирования сумматора была получена топология, изображенная на рисунке (55). Ширина микрополосков с волновым сопротивлением 70 Ом составляет – 0,56 мм, а с волновым сопротивлением 50 Ом – 1,55 мм.
По графикам видно, что полученный коэффициент удовлетворяет требованиям таблицы (26), так как он выше требуемого значения -3,8 дБ. Построим зависимость развязки между каналами от частоты.
Требования таблицы (26) выполнены, так как развязка между каналами не превышает значения -20 дБ. На рисунке (58) продемонстрирована плата сумматора 4:1 расположенная внутри корпуса.
На рисунке (59) представлены эскизы корпуса сумматора 4:1 с основными размерами.