ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ СВЧ МОЩНОСТИ – ЧАСТЬ 2

July 15, 2012 by admin Комментировать »

В качестве УПЧ в приемнике использован усилитель на НЕМТ [4] с центральной частотой диапазона ПЧ 1,5 ГГц. Применение в первом каскаде УПЧ псевдоморфного НЕМТ (ATF 34143) с высоким значением оптимального декремента источника позволило реализовать низкие шумы усилителя в широкой полосе частот (1 н-2 ГГц). Так, в этой полосе частот шумовая температура УПЧ при комнатной температуре, -40С и 20К составляет 30 К, 15 К и менее 5 К соответственно. Для сохранения устойчивости усилителя при безвентильном соединении (УПЧ и смеситель составляют моноблочную конструкцию) в УПЧ использован метод непосредственного каскадирования [5].

Входной тракт приемника, представляющий собой почти гладкий рупор с углом 20=9°, выполнен из трех секций. Первая секция пирамидальный переход с сечения 2,4 ммх1,2 мм на 11 ммх5,5 мм, -изготовлена из меди методом гальванопластики. Вторая секция, изготовленная из нержавеющей стали (толщина стенки 0,2мм), выполняет функции трансформатора сечений с прямоугольного на круглое и тепловой развязки. Внутренняя поверхность этой секции электрохимически отполирована. На ее выходном конце (017мм) расположено вакуумное уплотнение из лавсановой пленки толщиной 20 мкм. Теплоприток при длине 40 мм в криогенном варианте приемника не превышает 0,5 Вт. Третья секция представляет собой усеченный конус, изготовленный из меди, внутренняя поверхность которого также электрохимически отполирована. Этот конус обеспечивает формирование диаграммы направленности ~ 5°, что вполне приемлемо при эксплуатации приемника.

Потери во входном тракте измерялись в диапазоне 85-115 ГГц как на монохроматическом сигнале, так и радиометрическим методом. При комнатной температуре потери в нем составляют 0,15±0,05 дБ, а при охлаждении первой секции до 20 Кне более

0,    1 дБ во всем диапазоне рабочих частот.

В качестве гетеродина в описываемом приемнике использован синтезатор частоты с ЛОВ ОВ-71. Сигнал гетеродина подводился к смесителю через диплексер с высокодобротным резонатором, фильтрующим шумы ЛОВ.

[1] S. A. Peskovatskii, V.M. Shulga, V.l. Piddiachii,

A.       M.Koroliov, V.V. Myshenko, A.V. Antuyfeyev, I.V.Lavrik,

“A Cryogenic 3mm Schottky diode mixer receiver”, MSMW

2001 Symposium Proceedings. Kharkov, Ukraine, June 4-9,

2001,      vol. 2, pp. 741-744.

[2]  V. I. Piddiachii, S. A. Peskovatskii, “A Broad-Band LowNoise Schottky Diode Full-Height Waveguide Mixer from 80 to 115 GHz”, Int. J. Infrared Millimeter Waves, vol. 24, no. 1, pp. 44-54, 2003.

[3] C. R. Predmore, A. V. Raisanen, N. R. Erickson, P. E. Goldsmith, and J. L. R. Marrero, “A broad-band, ultra-low-noise Schottky diode mixer receiver from 80 to 115 GHz”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-32, pp. 498-507, May 1984.

[47А. М. Королёв, В. М. Шульга. Режим сверхнизких шумов в широкополосном неохлаждаемом усилителе на РНЕМТ в дециметровом диапазоне. Радиофизика и радиоастрономия. 2003, т. 8, № 1, с. 21-27.

[5] А. М. Королёв, Повышение устойчивости малошумящих усилителей на НЕМТ. Радиофизика и радиоастрономия. 2003, т. 8, № 3, с. 233-238.

fLo, GHz

Рис. Зависимость DSB-шумовой температуры приемника TrDSB от частоты гетеродина fro

Fig. DSB receiver noise temperatures TrDSB vs. LO frequency fro

Охлаждение приемника до -40 С осуществлялось Пельтье-охладителем, а до 20 К с помощью холодильной машины замкнутого цикла.

Шумовые характеристики разработанного приемника были исследованы хорошо известным Yметодом: подключением на вход приемной системы согласованной нагрузки при комнатной температуре и температуре жидкого азота.

На рисунке представлены зависимости DSB шумовой температуры приемника от частоты гетеродина, измеренные при комнатной температуре, -40 С и 20 К на промежуточной частоте 1,5 ГГц. Как видно из рисунка, минимальные значения шумовой температуры приемника при комнатной температуре и -40 С реализованы в центре рабочей полосы частот и на 98 ГГц составляют 245 К и 180 К соответственно. Эти варианты приемника могут быть успешно использованы в составе различных малогабаритных мобильных приемных систем Змм диапазона. В частности нами планируется использовать их для исследований атмосферного озона. Шумовая температура криогенно охлаждаемого варианта (20 К) приемника, как видно из рисунка, не превышает 100 К в диапазоне частот от

85   до 115 ГГц с минимумом в 55 К на частотах от 97 до 110 ГГц. Этот вариант приемника разработан специально для установки на радиотелескоп РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории.

III.  Заключение

Оптимизация электродинамической системы смесителя и узла сопряжения с УПЧ под использованные высокодобротные ДБШ позволила реализовать низкие значения потерь преобразования собственно нелинейного элемента (<1,5дБ). Это дало возможность, применив в приемнике в качестве УПЧ сверхмалошумящий усилитель на псевдоморфном НЕМТ и входной тракт с низким затуханием, разработать приемную систему Змм диапазона с рекордными для данного типа устройств шумовыми характеристиками.

ULTRA-LOW-NOISE SCHOTTKY DIODE MIXER RECEIVER FROM 85 TO 115 GHz

V. M. Shulga, V. I. Piddiachii, A. M. Korolev,

V. V. Myshenko, A. V. Myshenko Institute of Radio Astronomy NAS of Ukraine

4,     Chervonopraporna St., Kharkiv 61002, Ukraine Phone (0572)-448-330, E-mail: shulga@rian.kharkov.ua

Abstract The ultra-low-noise 3mm wave Schottky diode mixer receiver is described. Noise performances of the receiver have been investigated at standard environment -40 С and 20 K. DSB receiver noise temperatures, measured at these temperatures are 245 K, 180 К and 55 К accordingly. These values are the best ever obtained with Schottky diodes in the 3mm wave band.

I. Introduction

Schottky diode mixer receivers are efficient in a wide interval of ambient temperatures from the normal up to cryogenic with substantial improvement of the noise performances at cooling. Due to this fact they are applied in different fields of science and technology. Now Schottky diode mixer receivers are the single receiver systems for frequencies higher than 1 THz.

In the present paper the 3mm Schottky diode mixer receiver with record sensitivity at standard environment, -40 С and 20 К is described.

II. Main part

The receiver includes input section, mixer unit, IF amplifier and handling part [1]. The Schottky diode mixer is a basic element determining noise performances of the receiver. Detailed description of the produced units is presented in [2]. It is necessary to note, that in the present paper the design of the mixer unit with partial reduction of a working waveguide height (in 2 times) has been used in order to advance the frequencies higher than 110 GHz. Other important difference of the designed mixer unit is the application of Schottky diode with high value of a cut-off frequency (4 TGz). It has allowed to obtain low conversion losses of the mixer (DSB losses on a nonlinear element, including parasitic losses, do not exceed 1,5 dB).

Ultra-low-noise L-band PHEMT amplifier, similar to that described earlier [4], was used as IF-preamplifier (G=27dB). It was integrated with the mixer on a common housing without an isolator. Thus, in order to provide stability, which would be enough for operation in this case, an interstage network was specially designed in direct-coupling manner [5].

The receiver input conical horn consists of three sections. Middle section is made of stainless steel. Its wall thickness is less than 0.2 mm. It is used as termoisolator. The vacuum window is 17 mm in diameter and is made of 20 |jm Mylar sheet placed between horn’s section. Oher sections are made of cooper. All sections were polished electrochemically.

The horn losses were measured using both usual and radiometer methods within the frequency band 85… 115 GHz. The horn losses were 0.15±0.05dB at room ambient. In cryogenic regime of the receiver (to 20K) the horn losses were less than

0.1db.

As it is shown in Fig.1 the DSB receiver noise temperature, measured at standard environment, -40 С and 20 К on the intermediate frequency 1,5GHz are 245K, 180K and 55K accordingly in the best case.

III. Conclusion

Optimization of electrodynamics of the mixer for Schottky diode with high value of a cut-off frequency and the use ultralow-noise IF amplifier has allowed to implement 3mm-receiver system with the best noise temperature, which has been ever obtained with Schottky diodes.

10 ВАТТНЫЙ 4 КАНАЛЬНЫЙ ппм афар XДИАПАЗОНА ЧАСТОТ ДЛЯ БОРТОВЫХ РЛС

Бутерин А. В., Добреньков В. Н., Ковальчук А. Г., Козлов А. Г., Посадский В. Н., Пряжников Д. А., Семёнов Э. А, Сергеев В. А.

ЗАО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон», ул. Панфилова, 1, Саратов, 410033, Россия тел. (8452) 37-29-33, email: almazteboverta.ru


Аннотация Приводятся основные результаты разработки мощного многоканального группового ППМ бортовых АФАР на монолитной элементной базе. На основе анализа результатов определяются основные задачи создания ППМ, отвечающих современным концепциям развития авионики.

I.     Введение

Идея использования активной фазированной антенной решётки (АФАР) в системах радиолокации была выдвинута ещё в начале прошлого века. Тем не менее, её практическая реализация растянулась на многие десятилетия. В первую очередь это было связано с отсутствием элементной базы и технологий, необходимых для создания приёмо-передающего модуля (ППМ)основного элемента, реализующего сам принцип работы АФАР. По мере развития твердотельной СВЧ электроники, создания новых материалов и технологий АФАР стали находить применение в наземно-космических комплексах раннего обнаружения, системах глобальной спутниковой связи, радиоастрономии. Однако до настоящего времени в мире не существует ни одного серийно выпускаемого самолёта, оснащённого РЛС с АФАР. Это связано со спецификой требований, предъявляемых к АФАР самолётных бортовых РЛС: малые габариты и масса, жёсткие режимы эксплуатации, высокая надежность и т. д. Ограниченность апертуры антенной решётки требует создание ППМ с высокими энергетическими характеристиками.

Системы радиовооружения на основе пассивных ФАР, используемые в современной авиации, уже не могут в полной мере обеспечить решение стоящих задач обнаружения и сопровождения целей, управления оружием, радиопротиводействия, обеспечения скрытности самолёта, навигации, управления полётом. Поэтому, безусловно, основой РЛС самолётов нового поколения станет активная ФАР [1-3]. В настоящее время ведутся широкомасштабные разработки АФАР авиационных бортовых РЛС. Основой для создания ППМ являются GaAs МИС с высокой степенью интеграции и многофункциональные МИС, объединяющие на одном кристалле функции усиления, цифрового управления амплитудой и фазой сигналов. Важным шагом к практической реализации бортовой АФАР будет являться внедрение новых групповых технологий разводки и корпусирования с применением многослойных LTCC керамических структур [4] и кремниевых пластин [5], что позволит значительно увеличить плотность упаковки элементов, существенно уменьшить габариты, массу и стоимость ППМ, повысить технологичность производства, увеличить долговечность и надёжность АФАР

Данный доклад посвящен разработке эскизной конструкции многоканального группового ППМ для бортовых самолётных АФАР на основе высокоинтегрированных и многофункциональных МИС. В модуле использованы коммерчески доступные МИС, изготовленные по MSAG® технологии, которая специально разработана для массового производство дешёвых и высоконадежных МИС СВЧ диапазона [6,

7]    . В устройстве управления (УУ) применяются ИС с программируемой логикой и микроконтроллер.

Целью разработки являлось исследование существующей элементной базы и имеющихся технологий, проработка возможных вариантов компоновки и определение ключевых задач создания групповых ППМ бортовых самолётных АФАР.

II.   Функциональная схема модуля

Для получения необходимого энергетического потенциала самолётная АФАР может содержать до 2 тыс. ППМ. Конструктивно они объединяются в многоканальные групповые модули, состоящие из нескольких идентичных приёмо-передающих каналов (ППК) с общими УУ, модуляторами питания (МП), системой охлаждения (СО), системой распределения СВЧ сигнала и т.д. Групповые модули являются конструктивно съёмными элементами, из которых формируется полотно решётки.

ППК должен обеспечивать работоспособность РЛС в широкой полосе частот (30% и более) и выполнять следующие основные функции:

•      получение импульсной выходной СВЧ мощности не менее 8-10 Вт с коэффициентом усиления 30 дБ;

•      усиление входных сигналов с коэффициентом усиления ~ 30 дБ и коэффициентом шума < 3 дБ;

•      управление фазой СВЧ сигналов от 0 до 360° с шагом 5,625°;

•      управление амплитудой СВЧ сигналов на 1520 дБ с шагом 0,5-1 дБ.

В свою очередь ППК состоит из двух каналов, приёмного и передающего, которые подключаются к излучателю через ферритовый циркулятор (рис.1).

Рис. 1. Структурная схема ППМ Fig. 1. Transceiving module diagram

Переключение режимов приёма/передачи на входе ППК осуществляется быстродействующим переключателем. Для защиты входных цепей МШУ от просачивающейся мощности из передающего канала, используется активная защита, которая включается устройством управления в режиме передачи и отключается в режиме приёма. Пассивная защита служит для защиты приёмного канала от возможного внешнего излучения. Система теплоотвода передающего канала обеспечивает отвод тепла от усилителя мощности (УМ) в канал жидкостного охлаждения. Данные с датчика температуры, располагаемого в УМ, поступают в УУ и используются для коррекции температурных уходов амплитудных и фазовых характеристик ППК, а также защиты УМ от выхода из строя при превышении допустимого теплового режима. Для уменьшения энергопотребления и снижения тепловых нагрузок питание УМ по постоянному току осуществляется от импульсного модулятора, отключающего УМ в паузах передачи. Для обеспечения максимального быстродействия аттенюаторы и фазовращатели каналов приёма и передачи соединяются с УУ параллельным интерфейсом.

Модуль, кроме описанных выше четырёх ППК, содержит: узлы УУ, и МП, а также СО и схему распределения СВЧ сигнала по ППК (рис. 2).

Рис. 4. Компьютерная модель и фотография СВЧ сборки ППК

Fig. 4. Computer model and photo of microwave assembly of transceiving channel УУ содержит две ПЛИС, каждая и которых управляет двумя ППК. Проблема большого числа межсоединений УУ и СВЧ узлов решается применением многослойных полиамидных соединительных шлейфов. Контроль температурного режима УМ, корректировка температурных уходов амплитудных и фазовых характеристик ППК и формирование диагностических сообщений о состоянии модуля осуществляется микроконтроллером. Управление модулем осуществляется по скоростному каналу (50 Мбит/с) с последовательным интерфейсом. УУ выполнено на многослойной стеклотекстолитовой плате, имеет габариты47x65x5 мм3 и массу29,2 г.

МП также выполнен на стеклотекстолитовой плате на сдвоенных импульсных MOSFET, обеспечивающих падением напряжения на открытом канале не более 0,3 В при токах нагрузки до 4 А и температуре окружающей среды до +70°С. Время переключенияне более 50 не.

Парциальная масса ППК в составе модуля 52 г, из которых значительная часть36,3 г (70%) приходится на корпус, традиционно изготовленного из алюминиевых сплавов и с использованием поглотителей из компаундов на основе феррита. Задача оптимизации корпуса будет решаться на последующих этапах разработки на базе LTCC технологий.

IV.  Выходной УМ и СО модуля

Для достижения энергетического потенциала АФАР, сравнимого с существующими пассивными ФАР[2], выходной УМ должен обеспечивать выходную излучаемую мощность не менее 8-10 Вт, а для более полной реализации преимуществ АФАР, необходимо её увеличение до 20 Вт. Создание подобных усилителей при требовании обеспечения широкой полосы рабочих частот и высокого КПД, является одной из наиболее трудных задач разработки ППМ, так же как и задача отвода тепла от кристаллов УМ, учитывая ограниченный объём ППК и их плотную упаковку в полотне решётки. В настоящее время практическое достижение требуемых параметров возможно на основе однокристальных МИС многокаскадных УМ, построенных по бинарной схеме сложения мощностей отдельных транзисторных ячеек [6, 7], а в перспективе с применением МИС на гетероструктурами типа Al GaN/GaN. В рассматриваемой конструкции УМ используется GaAs МИС [6], построенная по бинарной схеме, что позволило получить выходную мощность 10 Вт в полосе частот 40 % (по уровню 1,5 дБ), КПД не менее 30% и коэффициент усиления 22 дБ.

Для улучшения теплоотвода кристалл МИС монтируется на основание через медную вставку с применением термокомпенсационного спая для предотвращения возможного разрушения МИС из-за различия значений КТР меди и GaAs/МД. Каналы СО выполнены в теле корпуса, где под кристаллами МИС расположены медные радиаторы, через которые прокачивается охлаждающая жидкость. Размеры узла УМ-12,6×14,2×1,7мм3, масса-1,7 г.

V.     Фрагмент АФАР

На основе модуля изготовлена экспериментальная модель фрагмента АФАР (рис 5) с периодичностью расположения ППК в решётке 19x17мм2. Модель предназначена для отработки схем согласования ППК с излучающими элементами и системы распределения СВЧ сигналов по ППК, а также для решения задач охлаждения модуля в составе антенной решётки.

VI.     Заключение

Хотя по основным электрическим, массогабаритным и эксплуатационным характеристикам модуль соответствует предъявляемым требованиям, полученные результаты следует рассматривать лишь как первый шаг к практической реализации конструкции ППМ, отвечающей современным требованиям. Дальнейшая отработка конструкции будет вестись по следующим ключевым направлениям:

•      решение схемотехнических, топологических и технологических задач в обеспечение массового промышленного производства необходимой номенклатуры МИС с приемлемой стоимостью;

•      решение задач сверхплотного монтажа и корпусирования с применением LTCC технологий:

•      дальнейшая отработка схем построения ППМ, определение оптимального количества ППК групповых модулей, решение задач распределения СВЧ сигналов по ППК и охлаждения ППМ в составе АФАР.

Рассмотренные модуль и фрагмент АФАР будут использованы как основа для отработки новых конструктивных и технологических решений.

В заключение авторы выражают признательность А.И. Синани и А.А. Кищинскому за полезные советы, даваемые в ходу разработки по формированию технических требований и концепциям построения модуля. Авторы также благодарят А. В. Крутова, Г. В. Мылова, Т. Л. Шнитенкову, И. М. Кпимшину, Д. А. Бегинина, Т. А. Тихомирову и О. Ф. Колесникову за оказанную помощь при разработке и изготовлении модуля.

Рис. 5. Фотография модели фрагмента АФАР Fig. 5. Photo of the Phased Array Fragment

VII.  Список литературы

1.    А. И. Канащенков. Концепция совершенствования авионики и облик современных систем управления вооружением,Радиотехника, 2002, № 8, с. 3-14.

2.    Ю. И. Белый, А. И. Синани, А. Е. Чалых и др. Электронное сканирование в системах управления вооружением истребителей,Радиотехника, 2002, №9, с. 34-42.

3.    Ю. Н. Гуськов. Концепция создания бортовой радиолокационной системы с активной ФАР,Радиотехника,

2002,               №8, с. 25-29.

4.    А. Горелов. Разработка РЛС перспективного тактического истребителя JSF. Зарубежное военное обозрение, 2001, №3 с. 39-41.

5.    Гоупповая технология разводки и корпусирования для СВЧмодулей,Новости СВЧ техники, 2003, № 3, с. 2-6.

6.    I. J. Bahl et al. Multifunction SAG Process for High-Yield, Low-Cost GaAs Microwave Circuits. IEEE MTT-38, Sep.

1990,               pp. 1175-1182.

7.    EdwardL. Griffin. INVITED: X-band GaAs MMIC size reduction and integration. IEEE 2000.

10 W 4-CHANNEL TRANSCEIVING MODULE FOR X BAND PHASED ARRAY ONBOARD RADARS

Buterin A. V, Dobrenkov V. N., Kovalchuk A. G., Kozlov A. G., Posadsky V. N.,Pryazhnikov D. A., Semyonov E. A., Sergeyev V. A JSC ZAO «NPC «ALMAZ-FAZATRON»

Panfilov str. 1, Saratov, 410033, Russia, tel. (8453) 37-29-33, email: almaz(o)overta.ru

Abstract Presented in this paper are the basic results of development of powerful multi-channel group transceiving module for onboard phased arrays using monolithic elements. We defined the basic tasks of creation of transceiving modules, which would meet the requirements of avionics development.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты