eng
Выпуск #4/2024
Е. Старовойтов, Е. Скиба, Л. Недашковский
СВЧ-МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ ДЗЗ И СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ. ЧАСТЬ 2
СВЧ-МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ ДЗЗ И СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ. ЧАСТЬ 2
Просмотры: 361
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.235.4.68.71
Прогресс космонавтики во многом определяется уровнем развития техники СВЧ, широко используемой в космической связи, навигационных системах космических аппаратов (КА), аппаратуре для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и других областях.
Прогресс космонавтики во многом определяется уровнем развития техники СВЧ, широко используемой в космической связи, навигационных системах космических аппаратов (КА), аппаратуре для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и других областях.
Теги: apaa demodulation modulation space radar systems афар демодуляция космические радиолокационные системы модуляция
СВЧ-микросхемы для бортовой аппаратуры ДЗЗ и систем космической связи. Часть 2
Е. Старовойтов, к. т. н., Е. Скиба, Л. Недашковский
В первой части статьи были рассмотрены принципы работы квадратурных модуляторов и синтезаторов частоты, применяемых в бортовой аппаратуре СВЧ-диапазона космического назначения ‒ системах космической связи и радиолокаторах на базе АФАР. Во второй части представлены описание и характеристики микросхем этих типов, разработанных в АО «НИИМА «Прогресс».
Разработки отечественной промышленности
Широкое использование интегральных схем СВЧ-диапазона в бортовой РЭА космического назначения повышает актуальность их разработки и производства отечественными предприятиями.
Так, холдинг «Российские космические системы» (РКС, входит в Госкорпорацию «Роскосмос») разработал серию КМ для автоматических КА различного назначения. Новая ЭКБ унифицирована, имеет размеры не более 5 × 4 мм и может быть использована в малых КА. Основное назначение – применение в радиолиниях для передачи информации от КА наземным и космическим объектам [10].
К настоящему времени в электронной промышленности SiGe-технология наряду с GaAs- и GaN-технологиями является одной из основных в производстве ЭКБ для СВЧ-диапазона. Значительная часть предприятий, выпускающих интегральные схемы по GaAs-технологии, также используют SiGe-технологию.
АО «НИИМА «Прогресс» первым в России начал заниматься SiGe-технологией, позволяющей создавать интегральные схемы с более высокой степенью интеграции, чем монолитные интегральные схемы на основе GaAs и на сегодняшний день предлагает решения для радиотрактов в диапазоне частот от 100 МГц до 6 ГГц. Несмотря на то, что в сравнении с КМОП-технологией стоимость изготовленных по SiGe-технологии интегральных схем больше, они обеспечивают лучшие шумовые и частотные характеристики. В результате 180-нм SiGe-технология позволяет изготовлять интегральные схемы с характеристиками, соответствующими 90-нм КМОП-процессу [11].
По технологии 180 нм SiGe
БиКМОП разработаны монолитные интегральные схемы СВЧ-диапазона для ППМ АФАР, аппаратуры связи и навигации. Также созданы КМ и КДМ, синтезаторы частоты, другие типы интегральных схем. Изготовление на этой же основе аттенюаторов и фазовращателей для АФАР представляет собой сложность, поэтому здесь остается предпочтительной ЭКБ на основе GaAs-технологии [12].
КМ 1327МА015 и КДМ 1327МВ015 максимально используют преимущества SiGe-технологии в части идентичности параметров компонентов при обработке I- и Q-сигналов. Эти интегральные схемы являются основой приемопередающих СВЧ-радиотрактов в диапазоне частот 100...6000 МГц.
Разработанная структура КМ (рис. 4) представляет собой универсальное устройство, с помощью которого сигнал опорного генератора модулируется ортогональной парой дифференциальных входных информационных сигналов.
Интегральная схема 1327МА015 обеспечивает:
Интегральная схема КДМ 1327МВ015 (рис. 5) обеспечивает:
Интегральные схемы 1327МА015 и 1327МВ015 произведены по 250-нм SiGe-технологии, собраны в металлокерамических корпусах, их основные характеристики указаны в табл. 1.
Синтезатор частот прямого преобразования 1367МН015 (рис. 6) имеет диапазон рабочих частот 10...1200 МГц. Он предназначен для получения стабильного высокочастотного сигнала диапазона 600 МГц со сверхнизким шагом перестройки частоты, низким уровнем фазовых шумов и быстрой перестройкой частот, а также возможностью осуществления частотной, фазовой и ЛЧМ-модуляции. Используется архитектура синтеза на основе DDS. Схема содержит входной буфер, аккумулятор частоты и фазы, таблицы коэффициентов преобразования и 12-разрядный ЦАП.
Монолитная интегральная схема 1367МН015 произведена по 180-нм SiGe-технологии, собрана в металлокерамическом корпусе, при этом примененные в ходе разработки схемотехнические решения позволяют в будущем изготовить этот синтезатор частот с использованием обычной КМОП-технологии [13]. Основные характеристики 1367МН015 указаны в табл. 2.
В настоящее время АО «НИИМА «Прогресс» разрабатывает перспективные СВЧ-микросхемы для L-, S-, C-, X- и Ku-диапазонов (0,1...14 ГГц), в том числе синтезаторы частоты, делители частоты и др.
* * *
Широкое использование СВЧ-диапазона в бортовой РЭА различных КА делает актуальным создание и производство соответствующей ЭКБ. Перед промышленностью стоит задача обеспечения ракетно-космической отрасли комплектующими, которые выпускаются на территории России для исключения зависимости от иностранных поставщиков и разработчиков.
К настоящему времени выделенные для космической связи полосы частот в L- и S-диапазонах (1,0...4,0 ГГц) полностью заняты, также практически полностью заполнены Ku-, K-, Ka-диапазоны (12,0...40,0 ГГц). Таким образом, возникает необходимость производства ЭКБ для Q-, V-, W-диапазонов частот (30,0...100,0 ГГц), удовлетворяющей всем требованиям для бортовой РЭА [14].
В то же время развертывание спутниковых группировок типа «Сфера», «Рассвет-1», аналогичных системе Starlink на низкой околоземной орбите (техн. жарг. – «низколетов»), в которых используется большое количество КА с коротким сроком активного существования (до 5...8 лет), потребует массового выпуска необходимой ЭКБ, часть требований к которой (в части ресурса и стойкости к внешним воздействующим факторам) может быть снижена.
У отечественных производителей имеются соответствующий опыт и необходимый задел для разработки собственной ЭКБ СВЧ-диапазона космического назначения, предназначенной для аппаратуры связи и радиолокации. Это позволяет создать собственные, национальные, глобальные информационные системы, системы экологического мониторинга, ликвидации чрезвычайных ситуаций и т.д.
ЛИТЕРАТУРА
Алыбин В.Г., Алыбин А.В. Миниатюризация СВЧ-устройств бортовой аппаратуры космического применения // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. 2020. Вып. 1, ч. 2. С. 19–20.
Белов Л., Голубков А., Кондрашов А., Карутин А. Модуляторы сигналов сверхвысоких частот. Основные классы // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2008. № 3. С. 76–83.
Фатеева А.С. Способы построения аппаратуры широкополосной радиосвязи с применением современных электронных компонентов // Оригинальные исследования (ОРИС). 2018. № 7. С. 100–112.
Кронин Б. Простое и эффективное формирование сигналов при помощи синтезаторов прямого цифрового синтеза частот // Беспроводные технологии. 2012. № 1. С. 59–64.
Храмов К.К., В.В. Костров В.В. Оценка предельных параметров РСА Х-диапазона на базе малых космических аппаратов // Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн». Муром, 2023. С. 294–304. DOI: 10.24412/2304-0297-2023-1-294-304.
Верба В.С., Неронский Л.Б., Осипов И.Г., Турук В.Э. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования / Под ред. В.С. Вербы. М.: Радиотехника, 2010. 680 с.
Мацыкин С.В., Савилкин С.Б., Гурковский А.В. Использование квадратурных модуляторов
в передающем тракте активной фазированной антенной решетки Х-диапазона // Программные продукты, системы и алгоритмы. 2018. № 2. С. 47–50. DOI: 10.15827/2311-6749.18.2.7.
Воронков О.В., Гаврилов М.М., Кожин С.П., Куприянов З.П., Куприянов П.В., Силаев С.А.,
Терешкин Е.В. Некоторые инженерные аспекты технологии квадратурных АФАР // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. Вып. 3(554). 2022. С. 44–54.
Добычина Е.М. Цифровые антенные решетки радиоэлектронных бортовых систем.
Дисс. док. техн. наук. М., 2018. 284 с.
РКС разработали новое поколение микросхем для сверхбыстрой передачи спутниковых данных – Российские космические системы. URL: https://russianspacesystems.ru/2022/11/09/rks-razrabotali-novoe-pokolenie-mikroskhem/?ysclid=ltplz5gjc9679199927
Шпак В., Корнеев И. Хочешь чего-то добиться – желай невозможного // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 6. С. 10–20.
Немудров В., Бычков М., Ионов Л., Малышев И., Мухин И., Репин В., Шабардин Р.
СВЧ кремний-германиевые монолитные интегральные схемы: преимущества и достижения // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 6. С. 92–97.
Ионов Л.П., Мухин И.И., Кузнецов А.И., Свизев Г.А., Жебрун Е.А. МИС синтезатора частот
на основе прямого цифрового преобразования диапазона 1200 МГц // Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА. Материалы
научно-технической конференции. М.: ОАО «НПП «Пульсар», 2014. С. 67–71.
Краснов М.И., Стешенко В.Б. Электронная компонентная база космического назначения // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2021. Т. 8. Вып. 2. С. 88–101.
Е. Старовойтов, к. т. н., Е. Скиба, Л. Недашковский
В первой части статьи были рассмотрены принципы работы квадратурных модуляторов и синтезаторов частоты, применяемых в бортовой аппаратуре СВЧ-диапазона космического назначения ‒ системах космической связи и радиолокаторах на базе АФАР. Во второй части представлены описание и характеристики микросхем этих типов, разработанных в АО «НИИМА «Прогресс».
Разработки отечественной промышленности
Широкое использование интегральных схем СВЧ-диапазона в бортовой РЭА космического назначения повышает актуальность их разработки и производства отечественными предприятиями.
Так, холдинг «Российские космические системы» (РКС, входит в Госкорпорацию «Роскосмос») разработал серию КМ для автоматических КА различного назначения. Новая ЭКБ унифицирована, имеет размеры не более 5 × 4 мм и может быть использована в малых КА. Основное назначение – применение в радиолиниях для передачи информации от КА наземным и космическим объектам [10].
К настоящему времени в электронной промышленности SiGe-технология наряду с GaAs- и GaN-технологиями является одной из основных в производстве ЭКБ для СВЧ-диапазона. Значительная часть предприятий, выпускающих интегральные схемы по GaAs-технологии, также используют SiGe-технологию.
АО «НИИМА «Прогресс» первым в России начал заниматься SiGe-технологией, позволяющей создавать интегральные схемы с более высокой степенью интеграции, чем монолитные интегральные схемы на основе GaAs и на сегодняшний день предлагает решения для радиотрактов в диапазоне частот от 100 МГц до 6 ГГц. Несмотря на то, что в сравнении с КМОП-технологией стоимость изготовленных по SiGe-технологии интегральных схем больше, они обеспечивают лучшие шумовые и частотные характеристики. В результате 180-нм SiGe-технология позволяет изготовлять интегральные схемы с характеристиками, соответствующими 90-нм КМОП-процессу [11].
По технологии 180 нм SiGe
БиКМОП разработаны монолитные интегральные схемы СВЧ-диапазона для ППМ АФАР, аппаратуры связи и навигации. Также созданы КМ и КДМ, синтезаторы частоты, другие типы интегральных схем. Изготовление на этой же основе аттенюаторов и фазовращателей для АФАР представляет собой сложность, поэтому здесь остается предпочтительной ЭКБ на основе GaAs-технологии [12].
КМ 1327МА015 и КДМ 1327МВ015 максимально используют преимущества SiGe-технологии в части идентичности параметров компонентов при обработке I- и Q-сигналов. Эти интегральные схемы являются основой приемопередающих СВЧ-радиотрактов в диапазоне частот 100...6000 МГц.
Разработанная структура КМ (рис. 4) представляет собой универсальное устройство, с помощью которого сигнал опорного генератора модулируется ортогональной парой дифференциальных входных информационных сигналов.
Интегральная схема 1327МА015 обеспечивает:
- возможность однополярного включения гетеродина;
- переключаемые коэффициенты преобразования;
- меньшую по сравнению с аналогами потребляемую мощность.
Интегральная схема КДМ 1327МВ015 (рис. 5) обеспечивает:
- возможность однополярного включения гетеродина;
- высокую линейность;
- меньшую по сравнению с аналогами потребляемую мощность.
Интегральные схемы 1327МА015 и 1327МВ015 произведены по 250-нм SiGe-технологии, собраны в металлокерамических корпусах, их основные характеристики указаны в табл. 1.
Синтезатор частот прямого преобразования 1367МН015 (рис. 6) имеет диапазон рабочих частот 10...1200 МГц. Он предназначен для получения стабильного высокочастотного сигнала диапазона 600 МГц со сверхнизким шагом перестройки частоты, низким уровнем фазовых шумов и быстрой перестройкой частот, а также возможностью осуществления частотной, фазовой и ЛЧМ-модуляции. Используется архитектура синтеза на основе DDS. Схема содержит входной буфер, аккумулятор частоты и фазы, таблицы коэффициентов преобразования и 12-разрядный ЦАП.
Монолитная интегральная схема 1367МН015 произведена по 180-нм SiGe-технологии, собрана в металлокерамическом корпусе, при этом примененные в ходе разработки схемотехнические решения позволяют в будущем изготовить этот синтезатор частот с использованием обычной КМОП-технологии [13]. Основные характеристики 1367МН015 указаны в табл. 2.
В настоящее время АО «НИИМА «Прогресс» разрабатывает перспективные СВЧ-микросхемы для L-, S-, C-, X- и Ku-диапазонов (0,1...14 ГГц), в том числе синтезаторы частоты, делители частоты и др.
* * *
Широкое использование СВЧ-диапазона в бортовой РЭА различных КА делает актуальным создание и производство соответствующей ЭКБ. Перед промышленностью стоит задача обеспечения ракетно-космической отрасли комплектующими, которые выпускаются на территории России для исключения зависимости от иностранных поставщиков и разработчиков.
К настоящему времени выделенные для космической связи полосы частот в L- и S-диапазонах (1,0...4,0 ГГц) полностью заняты, также практически полностью заполнены Ku-, K-, Ka-диапазоны (12,0...40,0 ГГц). Таким образом, возникает необходимость производства ЭКБ для Q-, V-, W-диапазонов частот (30,0...100,0 ГГц), удовлетворяющей всем требованиям для бортовой РЭА [14].
В то же время развертывание спутниковых группировок типа «Сфера», «Рассвет-1», аналогичных системе Starlink на низкой околоземной орбите (техн. жарг. – «низколетов»), в которых используется большое количество КА с коротким сроком активного существования (до 5...8 лет), потребует массового выпуска необходимой ЭКБ, часть требований к которой (в части ресурса и стойкости к внешним воздействующим факторам) может быть снижена.
У отечественных производителей имеются соответствующий опыт и необходимый задел для разработки собственной ЭКБ СВЧ-диапазона космического назначения, предназначенной для аппаратуры связи и радиолокации. Это позволяет создать собственные, национальные, глобальные информационные системы, системы экологического мониторинга, ликвидации чрезвычайных ситуаций и т.д.
ЛИТЕРАТУРА
Алыбин В.Г., Алыбин А.В. Миниатюризация СВЧ-устройств бортовой аппаратуры космического применения // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. 2020. Вып. 1, ч. 2. С. 19–20.
Белов Л., Голубков А., Кондрашов А., Карутин А. Модуляторы сигналов сверхвысоких частот. Основные классы // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2008. № 3. С. 76–83.
Фатеева А.С. Способы построения аппаратуры широкополосной радиосвязи с применением современных электронных компонентов // Оригинальные исследования (ОРИС). 2018. № 7. С. 100–112.
Кронин Б. Простое и эффективное формирование сигналов при помощи синтезаторов прямого цифрового синтеза частот // Беспроводные технологии. 2012. № 1. С. 59–64.
Храмов К.К., В.В. Костров В.В. Оценка предельных параметров РСА Х-диапазона на базе малых космических аппаратов // Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн». Муром, 2023. С. 294–304. DOI: 10.24412/2304-0297-2023-1-294-304.
Верба В.С., Неронский Л.Б., Осипов И.Г., Турук В.Э. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования / Под ред. В.С. Вербы. М.: Радиотехника, 2010. 680 с.
Мацыкин С.В., Савилкин С.Б., Гурковский А.В. Использование квадратурных модуляторов
в передающем тракте активной фазированной антенной решетки Х-диапазона // Программные продукты, системы и алгоритмы. 2018. № 2. С. 47–50. DOI: 10.15827/2311-6749.18.2.7.
Воронков О.В., Гаврилов М.М., Кожин С.П., Куприянов З.П., Куприянов П.В., Силаев С.А.,
Терешкин Е.В. Некоторые инженерные аспекты технологии квадратурных АФАР // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. Вып. 3(554). 2022. С. 44–54.
Добычина Е.М. Цифровые антенные решетки радиоэлектронных бортовых систем.
Дисс. док. техн. наук. М., 2018. 284 с.
РКС разработали новое поколение микросхем для сверхбыстрой передачи спутниковых данных – Российские космические системы. URL: https://russianspacesystems.ru/2022/11/09/rks-razrabotali-novoe-pokolenie-mikroskhem/?ysclid=ltplz5gjc9679199927
Шпак В., Корнеев И. Хочешь чего-то добиться – желай невозможного // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 6. С. 10–20.
Немудров В., Бычков М., Ионов Л., Малышев И., Мухин И., Репин В., Шабардин Р.
СВЧ кремний-германиевые монолитные интегральные схемы: преимущества и достижения // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2015. № 6. С. 92–97.
Ионов Л.П., Мухин И.И., Кузнецов А.И., Свизев Г.А., Жебрун Е.А. МИС синтезатора частот
на основе прямого цифрового преобразования диапазона 1200 МГц // Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА. Материалы
научно-технической конференции. М.: ОАО «НПП «Пульсар», 2014. С. 67–71.
Краснов М.И., Стешенко В.Б. Электронная компонентная база космического назначения // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2021. Т. 8. Вып. 2. С. 88–101.
Отзывы читателей
