Немного от переводчика

Я СВЧ-разработчик Leka_engineer, в основном пишу авторские статьи в своём профиле на Хабре, но иногда делаю переводы интересных на мой взгляд статей. В ВК у меня есть 3 статьи (заметки) про фазированные антенные решётки (ФАР), и я планирую скоро выложить следующую часть (она будет про ППМ). Этот перевод, надеюсь, удачно дополнит эту серию статей.

ПП = примечания переводчика. Примечаний получилось довольно много, выделю их курсивом, чтобы вы могли их проматывать.

Введение

В этой статье мы будем обсуждать революционное технологическое новшество в микроволновой технике. Однако, из-за ограничений, накладываемых политикой ITAR (ПП: это режим, запрет на то, чтобы делиться информацией об оборонной и военной промышленности, её технологиями с любыми не гражданами и не обладателями грин карты США, что включает в себя также книги, статьи и информацию о поставщиках), книг по этой теме вы не найдёте. Те, кто сейчас подумал: "Как же? На Википедии есть масса статей, зачем мне вообще ваша РЧ энциклопедия Microwaves101?", могут идут на Википедию и посмотреть вот на эти результаты поиска. Ха-ха. (ПП: в русскоязычной Википедии дела получше, вот на этой странице есть раздел про ППМ)

ППМ являются ключевой частью фазированных антенных решёток (ПП: в общем случае ФАР можно построить без ПП модулей). Зачем вообще делают фазированные решётки? Как говорил Леонард Коэн, все знают, что механические системы рано или поздно ломаются (обычно в месте поворотного соединения), а радары должны обладать надёжностью, особенно, когда на кону общественная безопасность.

Основные функции ППМ: усилить мощность излучаемого сигнала, обеспечить нужное для приёма отношение сигнал/шум и задавать направление луча. Но дьявол кроется в деталях.. И эта тема (тема ППМ) не входит в список убийц карьеры! (ПП: в одном из ведущих зарубежных журналов несколько лет назад был опубликован список тем "убийц карьеры", это темы, которые были одно время очень популярны в научных и технических кругах, многие диссертации написаны, но никаких устройств на основе этих исследований не сделано. Из того, что мне запомнилось, там были разные применения сегнетоэлектриков, что, например, в моей альма-матер считается перспективной темой. Я судить не берусь, просто рассказываю, что написано. А вот в списке по ссылке, что забавно, указан адаптивный круиз-контроль для автомобилей; ещё десять лет назад, похоже это считалось бесперспективным и нереализуемым, а ещё LTCC керамика)

На рисунке 1 показан один австрийский модуль вот с этого сайта. Мы будем использовать его как наглядный пример. Похоже в качестве подложки используется керамика (ПП: низкотемпературная скорее всего, то есть LTCC, она обычно голубая) с небольшой платой на поликоре (ПП: белая посередине), на которой размещён мост Ланге (что странно, почему бы им было не сделать сложение на выходе усилителя мощности, где важна мощность?). Керамическая основная плата имеет вырезы для усилителей мощности и циркулятора. По контуру в керамику впечатана металлическая каёмка для герметичной опайки крышки. Если они умны, они скорее всего добавили газопоглотитель на крышке во избежание отравления водородом. Всё довольно просто, да?

История ППМ

Сама концепция ППМ зародилась в 70-х годах прошлого столетия, а мотивация к разработке была обусловлена военным применением. Однако, концепции пришлось подождать десять лет до того, как появились первые интегральные схемы на арсениде галлия.

Многие крупные частные предприятия, выполняющие заказы министерства обороны, в том числе Hughes, Texas Instruments, Westinghouse, разрабатывали модули в 80-х.

Классический ППМ, который сделал возможным создание высокоэффективных АФАР Х-диапазона частот, стоит около 1000 $/штука, что мешает широкому распространению этой технологии (ПП: у нас не мешает). После длительной разработке DARPA удалось снизить цену до 100 $. Нам не нужно быть Нострадамусом, чтобы предсказать, что когда-нибудь наступит момент, когда GaAs будет заменён за кремний, и ППМ будут стоить несколько баксов (но, конечно, работать они будут похуже, чем их предшественники военного класса).

Размеры ППМ (зависимость от частоты)

Модули должны быть такого размера, чтобы соответствовать шагу сетки антенного полотна, которая в свою очередь зависит от рабочей частоты. По правилам модули должны стыковаться так, чтобы выходы были на расстоянии в пол длины волны. Например, на 10 ГГц это 1,5 см. В зависимости от конструкции системы, модуль должен быть примерно пол длины волны в ширину и сильно меньше в высоту, так как часто ППМ монтируются на раму или требуют наличия радиатора охлаждения, который занимает довольно большой процент от разрешённой высоты. (ПП: описан самый общий случай. На самом деле существуют варианты увеличения шага, как следствие размеров модуля, в зависимости от конструкции и угла сканирования. Этот перевод выполнен leka_engineer)

Модуль на картинке имеет размеры 64,5 x 13,5 x 4,5 мм³ согласно сайту. Главный размер 13,5 мм, что соответствует 11 ГГц, то есть рабочая частота где-то около 11 ГГц.

ППМ бывают на разные частоты, но классические радары - Х-диапазона (8-12 ГГц), так что большинство ППМ работают в этом диапазоне (ПП: странное заявление).

Блок-схема ППМ

На рисунке 2 представлен самый "навороченный" вариант приёмо-передающего модуля. Далее мы обсудим более бюджетный вариант. На схеме изображены два состояния: передача и приём и показаны состояния переключателей.

Дуплексер (циркулятор)

Дуплексер - устройство, которое позволяет использовать одну антенну на приём и передачу. (ПП: ссылка ведёт на раздел энциклопедии про дуплексеры, где написано, что не стоит их путать с диплексерами, которые имеют задачу разделения частот и содержат в себе фильтры). Это может быть ферритовый циркулятор или двухканальный переключатель. Так как циркулятор - не микросхема на кристалле, ему не требуется герметичная среда, так что часто его ставят за пределами основного блока.

Вентиль

Вследствие того, что при больших углах сканирования КСВ антенны может быть довольно высоким, отражённая волна через циркулятор попадает в приёмный усилитель, который может "сгореть" от такой нагрузки (хуже, чем прямые потери на рассогласование). Решением этой проблемы часто служит вентиль. Вентиль всегда вляется согласованной нагрузкой как для усилителя, так и для антенны, и неважно, что там творится с их КСВ. Европейский модуль на рисунке 1 однако не имеет вентиля.

В случае, если МШУ (малошумящий усилитель) представляет собой согласованную нагрузку в режиме передачи, проблем нет. Но знаете, что? МШУ выключен в режиме передачи, так что его вход рассогласован (сильно). И эту проблему можно решить как раз установкой вентиля.

Иногда вентиль и циркулятор делают в одном корпусе; это называется 4-портовый циркулятор (четвёртый порт нагружен на согласованную нагрузку).

Ограничитель

Ограничитель нужен, чтобы защитить МШУ во время передачи, а также от любого случайного сигнала. (ПП: ограничитель ограничивает сигнал высокой мощности до уровня, допустимого для МШУ)

Ограничитель также выполняет ещё одну важную функцию - он является нагрузкой циркулятора во время передачи, обеспечивая поглощение отражённой от антенны мощность, так как при большом угле отклонения (луча) отражённая мощность может быть довольно высокой. Зачем поглощать? Усилитель мощности должен быть нагружен правильно, иначе его выходная мощность снизится критически. В модуле выше эта функция, похоже, реализована с помощью резистивной нагрузки вентиля перед ограничительным диодом.

Малошумящий усилитель (МШУ)

От МШУ зависит коэффициент шума приёмного канала. Потери, вносимые блоками между антенной и МШУ должны быть как можно меньше, так как они добавляются к шуму.

На блок-схеме показано 2 МШУ.

В целях получения максимальной чувствительности ППМ, МШУ и УМ стараются поставить как можно ближе к антенне, чтобы избежать потерь в длинными линиях передачи.

Иногда МШУ сконструирован так, чтобы быть согласованным при отключённом питании. Добавление такой функции согласованной нагрузки к МШУ освобождает нас от необходимости ставить вентиль, так как в таком случае усилитель мощности всегда будет "видеть" 50 Ом.

В будущем, возможно, МШУ будут делать не на арсениде, а на нитриде галлия, что позволит не ставить ограничитель. Последние разработки показывают, что возможно создание МШУ на GaN, которое выдерживает входную мощность до 10 Вт, в то время как МШУ на GaAs едва ли выдерживают 100 мВт.

Фазовращатель (ФВ)

Фазовращатель добавляет инкремент фазы для каждого элемента антенной решётки, что отклоняет луч в разных направлениях. Так как сдвиг фазы необходим как при приёме, так и при передаче, то фазовращатель стоит в общем пути (ПП: вертикальный на блок-схеме). В таком случае фазовращатель может быть пассивным взаимным устройством (обычно он таким и является). Также бывают активные фазовращатели.

Фазовращатели имеют ошибки, они не идеальны. Но почти никто не понимает такого эффекта, что ошибки фазы фазовращателей увеличиваются, если они "видят" плохой КСВ. При разработке модулей обязательно нужно это учитывать. Следует ставить фазовращатель между двумя хорошо согласованными блоками (обычно один из выходов ФВ соединён с аттенюатором, который всегда хорошо согласован).

Усилитель мощность (УМ)

Усилитель мощность - обычно самый дорогой блок в модуле (циркулятор и изолятор тоже дорогие). А ещё это главный источник тепла, которое нужно отводить.

Обычно УМ сделан из двух усилителей, которые соединены с помощью квадратурных мостов или делителей Вилкинсона. Привлекательность использования квадратурных делителей в том, что УМ в таком случае всегда нагружены на согласованную нагрузку. Такая схема сильно увеличивает "иммунитет" усилителей к изменениям импеданса разных блоков.

В настоящее время усилители мощности делают на кристаллах нитрида галлия, арсенид галлия уже почти не используется. Обещания в улучшении в 10 раз, конечно, реализованы быть не могут, ведь тогда будет и больше тепла. Но усилители всё равно большей мощности могут быть реализованы в меньшем размере, что приведет к снижению цены. Также будет снижен протекающий ток, так как напряжение стока у нитридных микросхем выше (например, 30 В вместо 7 В). Кто знает, может быть будет возможна модуляция затвора, вместо модуляции стока...У арсенидных усилителей есть большая проблема - при модуляции стока, напряжение на стоке близко к тому, чтобы вызвать пробой между стоком и затвором.

Общий путь

Часто в общем пути ставят аттенюатор и фазовращатель. В нашей блок-схеме мы разместили усилитель и фазовращатель. Обратите внимание, что при таком расположении фазовращатель не обязан быть взаимным устройством.

Аттенюатор

Аттенюатор необходим для создания спадающего распределения, чтобы уменьшить боковые лепестки (ПП: диаграммы направленности). Обычно это делается только в режиме приёма, так как в режиме передачи вы обычно хотите излучить как можно больше мощности. Обычно используют дискретные аттенюаторы.

Цепи питания

Регуляторы напряжения обычно используются для "очистки" напряжения питания блоков ППМ. Часто ток, необходимый для питания решётки довольно большой. Линейные регуляторы делают напряжение чистым, хотя и теряют около 1,5 В.

Напряжения питания блоков обычно включают в себя: напряжение стока УМ и отдельно МШУ, а также общее напряжение затвора. Напряжение затвора - отрицательное.

Модуляция

ППМ должны быстро переключаться между режимами приёма и передачи. При передаче питание приёмного канала отключено, и наоборот- при приёме питание усилителей передающего канала отключено. Обычно это реализуется отключением питания стока. Теоретически, возможно модулировать усилители при помощи питания затвора, но так почти никогда не делают. Наверно, потому что любой шум на затворе из-за неточности времени переключения окажет больший эффект, чем шум на стоке.

Обычно используют MOSFET транзисторы с p-каналом для включения и выключения усилителей из-за низкого сопротивления (всего несколько миллиОм!) и отсутвия необходимости в странных источниках питания, которые требуют транзисторы с n-каналом.

Конденсаторы

В целях максимально быстрого переключения режимов, используют накопители заряда, так как усилители находятся довольно далеко от источников питания.

Схема отклонения луча

Фазовращатели должны быть каждый в своём состоянии. Вычисление фаз каждого элемента - задача, для решения которой часто необходим специальный компьютер. (ПП: часто значения вычисляются заранее и сводятся в таблицы)

Корпус

Корпус обычно делают герметичным. Материал корпуса должен быть подобран таким образом, чтобы при расширении-сжатии из-за изменения температуры, чувствительные кристаллы GaN/GaAs не были повреждены (коэффициенты теплового расширения должны совпадать).

Корпус обычно имеет наибольшую массу в процентном соотношении от всего модуля. В наземных системах это обычно не так важно, а вот при проектировании самолётной или космической системы, очень важно сделать корпус как можно более лёгким. Последняя разработка - AlSiC - композитный материал, который, однако, в списке "убийц карьеры". (ПП: замена медь-молибдена, имеет такой же коэффициента теплового расширения, как у арсенида галлия, а также очень высокую теплопроводность)

Подложка

Обычно используют керамические подложки, например Поликор. В качестве линий передачи используют микрополосковые или копланарные линии.

Система контроля

Обычно модули имеют систему внутренней проверки. Всё-всё проверять невозможно, но первое, что может сломаться - усилители мощности. Если посмотреть на рисунок 1, можно увидеть направленный ответвитель между усилителем мощности и циркулятором. Это и есть система контроля.

На этом перевод закончен. Спасибо за внимание. Я лично считаю, что вторая половина статьи написана не очень хорошо, скоро надеюсь представить свой вариант описания блоков ППМ (статья будет не тут, а в ВК).Тем не менее, надеюсь, что вам, как и мне, было интересно прочитать эту статью.