О НЕКОТОРЫХ ТЕНДЕНЦИЯХ РАЗВИТИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ И СВЯЗНЫХ СИСТЕМ

November 5, 2014 by admin Комментировать »

А А. Толкачев ОАО "Радиофизика", Москва

В массе новшеств, связанных с развитием современной радиоэлектроники, идущих в целом под знаком внедрения цифровых методов синтеза и обработки сигналов, можно выделить две специфические тенденции, связанные с радиолокацией и, в какой-то мере, связью:

1)             освоение высокочастотных диапазонов волн (короткие сантиметры и миллиметры), создание твердотельных активных фазированных решеток (АФАР).

Первая тенденция прослеживается на протяжении всей второй половины двадцатого столетия и связана со стремлением увеличить избирательность и точность радиолокационных систем, а также пропускную способность средств связи при одновременном снижении массабаритных характеристик радиоэлектронных систем и их энергопотребления.

Радиолокационные станции (РЛС) потенциально способны измерять дальность, две угловые координаты и радиальную скорость объекта; разрешающая способность и точность измерения по каждой из координат, при прочих равных условиях, обратно пропорциональны длине волны несущей частоты. Поэтому избирательность станции, которую принято определять как совокупность разрешающих способностей по каждой из координат, быстро (как λ’3 – λ"4) растет с уменьшением длины волны, а этот параметр чрезвычайно важен, так как он определяет помехозащищенность РЛС. Растет также и точность измерения координат, в частности угловых, что особенно важно для станций, работающих на больших дальностях, для которых линейные ошибки, связанные с измерением угловых координат, много больше, чем ошибки измерения дальности. С другой стороны, в случаях, где можно ограничиться не слишком высокими требованиями к точности измерения координат и помехозащищенности, переход к более высоким частотам позволяет уменьшить размеры антенны, относительную полосу частот излучаемых сигналов и длительность посылок.

Разработка активных фазированных решеток также имеет длинную историю, но появление твердотельных решеток стало возможным только в последние два десятилетия в связи с успехами в создании твердотельных СВЧ-элементов. Активные твердотельные антенные решетки позволяют радикально повысить эксплуатационные характеристики фазированных антенн (надежность, коэффициент полезного действия, удобство обслуживания) и гибкость управления, достигаемую благодаря удобству их комплексирования с современными специализированными и универсальными цифровыми вычислительными устройствами.

Принципиальным отличием активных решеток является то, что у них усилительные элементы на прием и передачу находятся в конструкции антенного устройства непосредственно в апертуре и ближе к раскрыву, чем антенные фазовращатели, обеспечивающие отклонение луча. В пассивных решетках усилительные элементы находятся за апертурными фазовращателями. В активных антенных решетках передающие и приемные устройства распределены по антенне, в то время как в РЛС с пассивными антеннами они локализованы вне антенн.

Рассматриваемые тенденции находятся в известном противоречии, поскольку стоимость АФАР быстро растет с уменьшением длины волны, поэтому создание больших антенн в коротковолновой части сантиметрового диапазона оказывается очень дорогим удовольствием, а в миллиметровом просто разорительно. Учитывая экономические трудности России, которые носят длительный характер, и необходимость поддержания высокого уровня разработок в области радиоэлектронных средств, важное значение приобретает выработка экономически целесообразной доктрины сохранения и развития высоких технологий в этой области.

Рассмотрим эту проблему подробнее на примере современных многофункциональных РЛС с фазированной антенной решеткой (ФАР). Будем называть многофункциональной РЛС, способную выполнять как минимум две функции:

1)              автономное обнаружение объектов в заданном объеме пространства и подготовка необходимой информации для перехода на сопровождение обнаруженных объектов;

2)                 сопровождение заданного числа обнаруженных объектов.

Требования к энергетическим возможностям станции при выполнении этих функций различны и по-разному зависят от длины волны. Как известно, потенциальная скорость обзора области обнаружения РЛС по углам Ω’ (рад/с) определяется как

где R – дальность действия, м; Рср – средняя излучаемая мощность, Вт; S – эффективная поверхность приемной антенны, м2; аэфф – эффективная поверхность рассеивания объекта, м2; q2 – отношение мощности сигнала к мощности шума; N – спектральная мощность шумов (Вт/Гц) пропорциональна произведению средней излучаемой мощности на площадь приемной антенны и не зависит от длины волны несущей частоты. Поскольку с уменьшением длины волны растет стоимость генерируемой мощности и стоимость создания антенны, станции, предназначенные только для обнаружения, целесообразно разрабатывать на более длинных волнах, обычно в метровом или в дециметровом диапазоне длин волн, хотя эти станции обладают меньшей помехозащищенностью и точностью, чем средства более высокочастотных диапазонов.

Энергетика, необходимая для сопровождения объекта, связана с энергией одиночного зондирования Е (Дж):

В этом случае дальность действия зависит от длины волны как λ"1/2, т. е. растет с уменьшением длины волны за счет большей концентрации энергии в пространстве, при этом не только увеличивается дальность, но и избирательность и помехозащищенность РЛС, что делает очень желательным создание РЛС для сопровождения объектов в коротковолновой части сантиметрового или даже в длинноволновой части миллиметрового диапазонов.

Таким образом, соотношение затрат энергетики между обнаружением и сопровождением растет с уменьшением длины волны. В реальных системах уже в диапазоне S (10 см) затраты на обеспечение сопровождения объектов, как правило, значительно меньше, чем на обнаружение, а в более коротковолновых диапазонах X (3 см) и особенно Ка (0,8 см) они несопоставимо малы по сравнению с затратами на обнаружение. Именно в силу этих причин одно из ограничений на РЛС договора по ПРО 1972 года предусматривает в качестве признака РЛС стратегического назначения превышение произведения средней излучаемой мощности на площадь апертуры:

Попытаемся теперь оценить ограничения, связанные с созданием многофункциональных РЛС в высокочастотных диапазонах длин волн на примере РЛС ПРО, имея в виду, что эти оценки останутся качественно верными и для других мощных многофункциональных РЛС.

Ограничения, связанные со значительным затуханием волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов в тропосфере, принципиально сужают сферу их применения в радиолокации и связи. Наиболее благоприятной областью их применения является околозем-

ный космос, где отсутствует молекулярное поглощение, а влияние ионизированных образований незначительно. В условиях работы на Земле они могут быть эффективно использованы в системах с радиусом действия в несколько десятков километров (например, ПВО малой дальности в радиолокации или сотовые системы связи) или системах, работающих со значительными (> 20°) углами места (например, стрельбовые комплексы противоракетной обороны).

Если отвлечься от условий распространения радиоволн в атмосфере, основным ограничением перехода в более высокочастотные диапазоны является стоимость создания РЛС. В настоящее время 70-90% стоимости станции составляет ФАР и связанное с ней или входящее в ее состав устройство усиления зондирующих сигналов. Ограничимся для качественной оценки расчетом стоимости СВЧ-элементов для излучения двух киловатт средней мощности с одного квадратного метра апертуры ФАР пассивного и активного типа различных диапазонов волн, опираясь на некоторые усредненные экспертные оценки.

Для пассивных антенн эта стоимость складывается из стоимости апертурных элементов управления фазой (апертурных фазовращателей) и стоимости передающего устройства. В настоящее время для управления фазой в пассивных антеннах широко используются полупроводниковые и ферритовые элементы. Стоимости элементов пассивных ФАР, по оценкам одного из ведущих разработчиков в этой области – кандидата технических наук Ю. Б. Коемкина, приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Стоимость канала ФАР с ферритовыми фазовращателями, долл. США

Элемент канала

λ, см

10

6

3

1

Фазосдвигающая секция (феррит, волновод, обмотка)

100

40

20

15

Излучатель (два диэлектрических стержня)

60

30

15

5

Арматура (рама, корпус, крышка)

40

20

10

5

Схема управления, источник питания, спец, вычислитель

40

20

15

10

Конструктивные элементы

100

60

30

15

ИТОГО: оптимистическая (пессимистическая) оценки

340

(600)

170

(300)

85

(150)

50

(90)

Стоимость канала ФАР с полупроводниковыми фазовращателями, долл. США

Таблица 2

Элемент канала

λ, СМ

10

6

3

1

Фазосдвигающая секция (pin-диоды, плата, настройка)

200

180

170

160

Излучатель (две платы с полосковыми излучателями)

60

30

15

5

Арматура (рама, корпус, крышка)

40

20

10

5

Схема управления, источник питания, спец, вычислитель

30

20

20

20

Конструктивные элементы

80

70

60

50

ИТОГО: оптимистическая (пессимистическая) оценки

340

(600)

О О CN О сп т

^

275

(400)

240

(350)

Будем считать, что линейный размер излучающих элементов 0,7 λ, что примерно соответствует сектору электронного сканирования 90°. Стоимость одного квадратного метра апертуры для этого случая приведена на рис. 1.

Рассмотрим теперь возможную стоимость апертуры активной ФАР. Несмотря на то что типы полупроводниковых усилителей мощности, являющиеся основным элементом, определяющим стоимость полупроводникового модуля, принципиально разные в разных частях СВЧ-диапазона волн, экспертные оценки показывают, что стоимость элемента активной ФАР, при условии постоянства плотности мощности с единицы поверхности апертуры, слабо зависит от частоты в рассматриваемом диапазоне длин волн и составляет величину 1-2 тыс. долларов США.

Рис. 1. Стоимость 1 м2 площади апертуры в зависимости от длины волны.

С учетом стоимости конструктивных элементов (~25% от стоимости модулей) можно оценить стоимость изготовления АФАР (рис. 2). На этом же

Рис. 2. Стоимость изготовления 1 м2 апертуры антенны при средней мощности 2 кВт в зависимости от длины волны.

Рис. 3. Стоимость усиления мощности выходными вакуумными СВЧ-прибори различных типов.

рисунке приведена для сравнения стоимость изготовления пассивной ФАР с различными типами усилительных приборов с учетом экспертной оценки стоимости усиления мощности выходными вакуумными СВЧ-приборами различных типов (рис. 3).Эти материалы позволяют предполагать, что в больших РЛС миллиметрового диапазона применение традиционных вакуумных СВЧ-приборов, и в особенности гироприборов, пакетированных с постоянными магнитами, будет целесообразным [1].

Примером многофункциональной РЛС с твердотельной АФАР диапазона L может служить недавно разработанная в Израиле РЛС EL/M-2080. Хотя в печати практически отсутствуют сведения о технических характеристиках этой РЛС, по косвенным соображениям можно предположить, что площадь антенны этой РЛС составляет около 25 м2, а количество твердотельных гибридных модулей с мощными биполярными транзисторами около 600. Можно ожидать, что средняя мощность каждого модуля лежит в пределах 30-60 Вт, тогда PcpS = 4,5-105 – 4,5-106, т. е. укладывается в требования договора по ПРО 1972 года. Стоимость изготовления твердотельных модулей этой станции вероятно составляет около 1 млн. долларов США. Известно, что в настоящее время изготовлено несколько образцов таких РЛС (рис. 4) [2].

Другим интересным примером является уникальная по количеству модулей многофункциональная РЛС системы Thaad диапазона^(рис. 5).

Рис. 4. РЛС EL/M-2080

1-                  Площадь антенны этой РЛС равна м2, число твердотельных модулей – 25344, шаг решетки – 0,6 λ. Средняя мощность модулей неизвестна, однако можно предположить, что она лежит в пределах 10 Вт. Тогда PCfyS = 2,5-105 – 2,5-106, а стоимость изготовления каждого твердотельного модуля около 1000 долл. США, т. е. общая стоимость модулей одной системы составляет 25 миллионов долларов США [3,4].

Рис. 5. РЛС "Thaad"

Таким образом, эти станции, имея примерно одинаковые поисковые возможности, отличаются по цене изготовления примерно на 1,5 порядка. Эта разница в цене является платой за более высокую точность и помехозащищенность РЛС системы Thaad.

Несколько иначе, чем в радиолокации, обстоит дело с созданием связных систем. Необходимо отметить, что в связи также сильно выражена тенденция к переходу в коротковолновые диапазоны волн, потому что это дает серьезные преимущества в пропускной способности систем, а также позволяет снизить энергозатраты на передачу информации, уменьшить габариты и повысить помехозащищенность.

Наиболее характерными представляются бортовые спутниковые устройства связи, которые обычно обслуживают абонентов в зоне значительно меньшей, чем в радиолокационных средствах. С учетом того, что требования к энергетике связи вообще значительно меньше, чем в радиолокации, это позволяет использовать очень маленькие антенны с количеством элементов в несколько сотен или даже десятков единиц. Создание активных фазированных антенн чрезвычайно удобно в связных системах прежде всего с точки зрения обеспечения их эксплуатации, так как позволяет отказаться от малонадежных высоковольтных вакуумных СВЧ-приборов, а также повысить гибкость и оперативность связных систем. В настоящее время АФАР, по-видимому, активно вытесняют традиционные антенны связи в миллиметровом диапазоне, прежде всего в системах спутниковой связи.

По некоторым данным [5], из 17 перспективных американских систем спутниковой связи диапазона Ка в девяти (Pentriad\ Globstar-40, StarLynx, Q/V-Band System, LM-MEO, CylerPath, H-star, Teledesic, Global EHF Satellite Network) предполагается использование АФАР на базе твердотельных монолитных структур.

Таким образом, благодаря небольшому количеству элементов и небольшим мощностям, необходимым для некоторых связных систем, АФАР длинноволновой части миллиметрового диапазона имеет приемлемую стоимость, активно разрабатывается и, вероятно, будет использоваться в ближайшей перспективе в системах спутниковой связи.

Приведем сравнительные характеристики различных типов антенн диапазона Ка, которые рассматривались при выборе типа антенного устройства для отечественного ИСЗ "Ямал11.

Сравнение разных вариантов антенной системы

Таблица 3

Параметры

Зеркальные антенны сКДН

Пассивные антенны с многоэлементными облуча! елями

Активные фазированные антенные решетки

Обслуживание заданных зон

Обеспечивается

Обеспечивается

Обеспечивается

Сканирование лучом

Механическое с помощью приводов

Электронное

Электронное

Возможность управления формой ДН

Отсутствует

Ограниченные возможности

Широкие возможности

Эффективность (КИП)

Высокая

Низкая

Высокая

Конструкция

Объемная

Средняя по объему

Компактная

Масса

Не более 20 кг

Не более 20 кг

Не более 15 кг

Надежность

Высокая

Средняя

Очень высокая

Стоимость создания первой антенной системы, долл. США

400000

1200000

2500000 (с МШУ и усилителями мощности)

Срок создания первой антенной системы

1,5 года

2 года

3 года

Возможность использования

Практически

Имеются ограничен

Имеются широкие

в других системах связи

отсутствует

ные возможности

возможности

В заключение необходимо отметить, что в приведенном выше качественном анализе возможности использования систем с АФАР в радиолокации и связи не рассмотрены малые радиолокационные станции, например для контроля автомобильного движения, индивидуальные радиолокационные средства, где использование АФАР миллиметрового диапазона так же, как и в связных системах, может оказаться целесообразным.

Литература

1.        Tolkachev A. et al. A Megawatt Power Millimetr-Wave Phased-Array Radar // IEEE Aerospase and Electronic Systems. July 2000. ISSN 0885-8985. V. 15, № 7. P. 25-31.

2.        Dryer S. et al. EL/M 2080 ATBM Early Warning and Fire Control Radar System // IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. 1996. P. 11-16.

3.        Sarcione M. et al. The Design, Development and Testing of the THAAD Solid Stabe Phased Array // IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology. 1996. P. 260-265.

4.        Brookner E. Phased Array for the New Millennium. 2000 // IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology. 2000. P. 3-13.

5.        Левитан Б. А., Денисенко В. В. Антенная система Ка диапазона волн для спутников "Ямал-СТ" и "Ямал-ВТ": Техническое предложение, ОАО "Радиофизика", 2000.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

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