В данной статье хочу поделиться своим опытом расчетов ППМ для АФАР.
![АФАР АФАР](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c02/9cf/82a/c029cf82a50476b603422d11a50b3026.png)
Итак , передо мной стояла задача расчета ППМ (Приемно-передающий модуль) по следующим требованиям:
Разработать функциональную схему ППМ, указав в ней устройства, определяющие заданные характеристики.
Представить эскиз конструкции ППМ.
Рассчитать КПД ППМ.
В каждом из 4-х каналов ППМ на прием и передачу должны быть установлены пятиразрядные фазовращатели.
В каждом из 4-х каналов ППМ на прием должны быть установлены пятиразрядные аттенюаторы.
Определить ряд необходимых напряжений питания.
Характеристики ППМ
диапазон рабочих частот: 2,9…3,3 ГГц (S- диапазон),
количество каналов ППМ: 4,
импульсная выходная мощность канала 60: Вт,
входная мощность ППМ: 500 мВт,
длительность импульсов: 50 мкс,
скважность: 5,
коэффициент усиления приемного канала: 20 дБ.
Структурная схема ППМ
Для начала рассмотрим структурную схему ППМ:
![Структурная схема ППМ Структурная схема ППМ](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/8b2/054/00e/8b205400e3e38a0ad3d4c66e49a728f7.png)
Канал АФАР:
![Канал АФАР Канал АФАР](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/bd6/e51/9ef/bd6e519ef2cc837aeaa7e70ccdf3493e.png)
Приемный канал
Между входом с апертуры антенны и сумматором в ППМ должны находиться следующие устройства:
входной и выходной циркуляторы для разделения сигнала между приемным и передающим каналом;
защитное устройство (ЗУ) для защиты малошумящих усилителей (МШУ) от помех высокой мощности;
каскад МШУ для усиления сигнала, шестиразрядный фазовращатель для управления диаграммой направленности (ДН); (тут интересно - по условия нам нужен 5-ти разрядный фазовращатель, но на рынке таких нет - для заданых характеристик, поэтому возьмем 6-ти разрядный, просто будем задействовать его как 5-ти разрядный);
пятиразрядный аттенюатор (по условиям задания) для управления мощностью сигнала и, при необходимости, вентили для предотвращения самовозбуждения.
Циркулятор
Циркуляторы я выбрал фирмы ARGUS-ET
![На рисунке выделен красным цветом нужный: 3CMSM-2.9–1 На рисунке выделен красным цветом нужный: 3CMSM-2.9–1](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/6ef/5f1/308/6ef5f13086046e92e10278b4605f9b8e.png)
![Внешний вид Внешний вид](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4cc/b86/73c/4ccb8673cc799c1b9908e44937b3d43a.png)
![Характеристики выбранного циркулятора Характеристики выбранного циркулятора](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/eae/e1c/498/eaee1c498aba6c80d12c3129978d3070.png)
Фазовращатель
Фазовращатель выбрал фирмы M/A-Com Tech - согласно заданным условиям:
![На рисунке выделил красным цветом подходящий На рисунке выделил красным цветом подходящий](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/10f/36c/d37/10f36cd3747f0a74aef153bfd2d53cc1.png)
Аттенюатор
Идем дальше - так же рассматриваю продукцию фирмы M/A-Com Tech:
![На рисунке выделил красным цветом подходящий аттенюатор На рисунке выделил красным цветом подходящий аттенюатор](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/8c4/178/103/8c4178103bd48b65d40fca670cfb7bab.png)
МШУ
МШУ так же искал у фирмы M/A-Com Tech :
![На рисунке выделил красным цветом подходящий МШУ На рисунке выделил красным цветом подходящий МШУ](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/f19/8ce/808/f198ce808912e008c000af6142995e86.png)
Защитное устройство
В качестве защитного устройства рассмотрим продукцию фирмы АО НИИПП:
![Подходят оба- так что берем, что дешевле Подходят оба- так что берем, что дешевле](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/659/ef7/3b6/659ef73b68c3ea6b68677ff556a34196.png)
Расчет приемного канала
Согласно условию поставленной задачи :
коэффициент усиления приемного канала должен быть 20 дБ
потери на фазовращателе: -3.2 дБ
минимальные потери на аттенюаторе: -1.5 дБ
суммарные потери на циркуляторах: -1 дБ
коэффициент усиления МШУ: 16 дБ
Итого: 16 дБ – 3.2 дБ – 1.5 дБ – 1 дБ = 10.3 дБ < 20 дБ
Таким образом, видим необходимость установки еще одного МШУ в канал. Для защиты от самовозбуждения также установим вентиль между МШУ. Суммарное максимальное усиление с учетом потерь на вентиле будет составлять 25.8дБ. Снижение усиления до желаемых 20 дБ производится за счет перестройки управляемого аттенюатора.
![Выбранный вентиль Выбранный вентиль](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/029/998/71b/02999871b73d4d2b259bffacf6b5d7f8.png)
Таким образом, приемный канал будет выглядеть так, как представлено на рисунке ниже.
![Структурная схема приемного канала Структурная схема приемного канала](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/92b/e54/d5b/92be54d5b1fc88eca258690fdcdd2160.png)
Передающий канал
В передающем канале должны присутствовать каскад усилителей и фазовращатель, а также вентиль и аттенюатор при необходимости. В качестве фазовращателя выберем то же устройство что и в приёмном канале. Его установка производится в начале канала, чтобы уменьшить снижение КПД модуля.
Импульсная выходная мощность должна составлять 60 Вт или 48 дБм.
Усилитель мощности
Рассмотрим усилители мощности фирмы MIMIX
![Выделили красным нужный Выделили красным нужный](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d20/528/a22/d20528a2222e347c2e1ffb3b2cfcc90b.png)
Расчет передающего канала
имеет коэффициент усиления (КУ) 27 дБ с мощностью насыщения на выходе в +39 дБм. С учетом потерь на циркуляторе(0.5) получается комфортное для нас значение, поэтому выберем данный усилитель последним в каскаде усиления передающего канала.
По условиям, входная мощность ППМ равна 0,5 Вт или 27 дБм. Делитель на 4 канала дает ослабление сигнала минимум на 9 дБ. С учетом потерь на циркуляторе и фазовращателе остаточная мощность будет равна:
~27 – 9 -3.2 – 2 = 12.8 дБм.
Таким образом, видно, что одного усилителя недостаточно. Добавив предварительный усилитель МААП-010171 производства фирмы MIMIX с мощностью насыщения +39 дБм и КУ равным 27 дБ, мы добьемся нужных параметров выходного сигнала в идеализированном случае. Однако, расчет потерь на делителе является оценочным и не учитывает потери в тракте. Также между усилителями стоит установить вентиль для защиты канала от самовозбуждения. Поэтому предлагается добавить после фазовращателя еще один предварительный усилитель мощности, а после него установить управляемый дискретный аттенюатор (такой же, как и в приемном канале).
В итоге, передающий канал будет иметь вид, изображенный на рисунке снизу.
![Структурная схема передающего канала Структурная схема передающего канала](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/541/f6e/721/541f6e721d8589a322d9f8ced84a5763.png)
Расчет КПД
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d4c/7a0/763/d4c7a0763e2a4edcd59e3804cf2d8cb0.png)
Обозначение в формуле |
Объяснение |
Числовое значение |
|
||
потери в выходных вентиле и фильтре |
0.2 |
|
Q |
скважность зондирующего сигнала |
5 |
Pц = Pо.ц./ Pвых.прд |
нормированное значение мощности, потребляемой цифровой частью |
0.07 |
Pпр = Pпрм/ Pвых.прд |
нормированное значение потребляемой мощности приемника в непрерывном режиме |
0.01 |
N |
количество каналов ППМ |
4 |
Pвых.прд |
импульсная выходная мощность передающего канала |
60 Вт |
КПД выходного транзистора |
0.37 |
|
Ку |
коэффициент усиления выходного каскада передающего канала |
27 дБ |
КПД источников питания, обслуживающих передающий канал |
0.95 |
|
Pо.ц. |
мощность, потребляемая узлом управления ППМ |
4.2 Вт |
Pпрм |
мощность, потребляемая приемным каналом в непрерывном режиме |
0,6 Вт |
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/7b1/7fe/b86/7b17feb8609cd87d9826f98c7520213c.png)
Рц- нормированное значение мощности, потребляемой
цифровой частью,
Pпр- нормированное значение потребляемой
мощности приемника в непрерывном режиме.
Следовательно, получаем:
Напряжения питания
Для рядя ключевых элементов определим питание будет составлять однополярное +5В и двухполярное +8В/-5В.
Питание будем подводить к каждому каналу, через систему распределения питания.
Эскиз конструкции ППМ
![4х канальный ППМ S-диапазона 4х канальный ППМ S-диапазона](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/7a8/a58/e0c/7a8a58e0c3d137e0484623761337dab7.png)
Надеюсь моя статья была вам полезна! :-)
Комментарии (3)
wilczek
21.04.2022 14:30+2Несколько странно выглядит представленная конструкция. Как будто из прошлого ) Впечатление усиливает упоминание фирмы Mimix, которой давно уже нет - была куплена M/A-COM давным давно. Кстати, грешила недостоверной инфой, даже бодались с ней в свое время. Хотя тогда речь шла о миллиметрах.
Непонятно, зачем использовать циркуляторы при такой небольшой мощности модуля, а не ключи для развязки? Тогда и входной ограничитель не понадобился бы. Или вообще интегрированные front-end-ы...И почему не использовать один фазовращатель и один аттенюатор и для приема и для передачи просто переключая их? Как это делается повсеместно?
Ну и в целом - для S-band-а digital beamforming актуален...
Gordon01
Круто, но жалко что на войну.