eng
Выпуск #3-4/1998
Б. Высоцкий, Б. Войнич.
“Разумная обшивка”.Перспективы развития бортовых радиоэлектронных систем
“Разумная обшивка”.Перспективы развития бортовых радиоэлектронных систем
Просмотры: 3225
Стремительный рост объема памяти носителей информации и скорости ее обработки, появление новых, более эффективных технологий создают благоприятную почву для ускоренного развития радиоэлектронных систем, изменяя принципы их построения и инженерный облик. Так, благодаря использованию микроэлектронных активных антенных решеток и монолитных ИС самой высокой степени интеграции современные бортовые радиоэлектронные системы сегодня можно изготавливать в виде обшивки летательного аппарата. Работы над “разумной обшивкой” ведутся и в России. Отечественным специалистам, в частности, удалось разработать универсальные микроэлектронные модули, которые позволяют создавать активные и пассивные многофункциональные радиоэлектронные системы, на два порядка превосходящие традиционные по техническим и стоимостным характеристикам.
В классической бортовой радиолокационной станции (РЛС) [1], выполненной на традиционной антенной системе с параболическим рефлектором, сигнал передатчика через переключатель прием-передача поступает на облучатель антенны. Зеркало антенны через систему приводов механически соединено с фюзеляжем или корпусом летательного аппарата. Для стабилизации положения оси антенны при колебаниях корпуса летательного аппарата на двигатели приводов подаются специальные сигналы с системы стабилизации антенны. Сигналы обеспечивают разворот антенны в сторону, противоположную колебаниям фюзеляжа, удерживая луч антенны неподвижно по отношению к направлению на цель.
Для создания диаграммы направленности определенной ширины зеркало антенны необходимо изготавливать с высокой точностью. Неровности на его поверхности не должны превышать значения (1/16ё1/20)l, где l — длина рабочей волны. Кроме того, зеркало должно иметь достаточно высокую механическую прочность, чтобы сохранять постоянство формы поверхности при движении антенны и перегрузках во время маневра летательного аппарата.
Поворот оси диаграммы направленности в классической бортовой РЛС осуществляется механическим поворотом всего зеркала антенны вместе с облучателем, который расположен на определенном фокусном расстоянии от зеркала.
В большинстве антенн с параболическими отражателями [2] отношение фокусного расстояния к диаметру антенны составляет 0,3ё0,5. Поэтому объем VЗА, необходимый для размещения зеркальной антенны с облучателем, может быть приблизительно оценен как Vза C 0,25 D3З, где DЗ – раскрыв зеркальной антенны. Если выразить DЗ через ширину диаграммы направленности a и длину рабочей волны как DЗ =l/a, то выражение примет вид:
...
При оценке объема всей РЛС с зеркальной антенной VРЛС значение V3А необходимо увеличить в 1,5ё2 раза, чтобы учесть другие элементы радиолокационного тракта, например систему приводов антенны, передатчик и др.:
...
Поскольку передатчик такой РЛС генерирует короткие импульсы мощностью в десятки и сотни киловатт, для предотвращения электрического пробоя между элементами передатчика, модулятора и источника питания эти устройства герметизируют с помощью защитных кожухов, которые, к тому же, обеспечивают необходимый теплоотвод. В результате объем и масса РЛС возрастают почти на 50%.
При проектировании бортовых РЛС с зеркальными антеннами нельзя забывать об электрической прочности антенно-фидерного тракта, в который входят вращающиеся волноводные устройства и облучатель антенны. Почти вся мощность, излучаемая РЛС, сосредоточена на выходе облучателя. Поэтому при увеличении высоты подъема РЛС над землей около облучателя возможен пробой воздуха, который нарушает работу РЛС. Габариты или площадь облучателя обычно стараются делать поменьше, чтобы не затенять раскрыв антенны. В результате напряженность поля увеличивается, и вероятность пробоя повышается.
Инженерный облик бортовой РЛС коренным образом меняется, если в качестве антенны использовать плоскую активную фазированную решетку (АФАР). В этом случае большая часть устройств, входящих в состав РЛС, размещается с одной стороны такой АФАР [3]. Современные бортовые радиоэлектронные системы в основном построены на основе АФАР.
При одинаковой с параболической антенной площади, например 1 м2, на поверхности АФАР можно разместить до 4 тыс. излучателей с расстоянием между ними l/2 при l=3 см. Для формирования синфазного поля в раскрыве АФАР необходимо синфазно управлять отдельными усилителями, каждый из которых работает на свой излучатель. Такую возможность обеспечивает схема разводки, которую можно размещать как на обратной, так и на передней стороне АФАР. Поворот диаграммы направленности на определенный угол, а также стабилизация луча в пространстве производится не путем поворота всей антенны, а изменением фазового распределения в раскрыве АФАР с помощью фазовращателей.
Построение РЛС на основе АФАР существенно улучшает массогабаритные характеристики и надежность станции. Объем, занимаемый РЛС с АФАР (VАФАР), можно оценить по выражению:
...
Как видим, объем РЛС с АФАР на один-два порядка меньше объема РЛС с зеркальной антенной. В конструкции АФАР можно размещать очень большое число маломощных генераторов. В результате при больших значениях суммарной излучаемой мощности существенно снижается вероятность пробоя воздуха.
Современная элементная база и новейшие микроэлектронные технологии позволяют создавать полностью микроэлектронные АФАР (МАФАР), в состав которых могут входить основные компоненты РЛС. Рассмотрим возможность построения таких РЛС на примере оценочного расчета конструкции МАФАР [1].
На рис.1 приведена часть диэлектрической подложки, на поверхности которой расположены все активные и пассивные элементы РЛС. Расстояние между центрами излучателей антенной решетки принято равным половине длины волны в воздухе lВ, что обеспечивает максимальный угол поворота диаграммы направленности без образования бокового дифракционного лепестка, следующего в процессе сканирования за главным лепестком. В этом случае площадь поверхности подложки, которая может быть отведена для размещения всех элементов модуля РЛС, составляет SМ=lВ/2.lВ/2=0,25l2В.
Если в качестве излучателя использовать плоский полуволновой вибратор и расположить его над поверхностью подложки (т.е. в воздухе), то все элементы РЛС придется размещать с другой стороны подложки (т.е. за излучающей поверхностью), поскольку площадь такого излучателя равна SИВ= lВ/2.lВ/4 = l2В /8. По такому принципу построены объемные модули, разработанные по программам MERA и PASSR [4]. Однако объемные модули имеют целый ряд недостатков, в частности значительный объем, массу, сложность построения цепей управления и питания. Положение существенным образом меняется, если излучатель напылить в виде микрополосковой линии на поверхность подложки с большим значением диэлектрической проницаемости e. Тогда размеры излучателя будут зависеть от длины волны в диэлектрике (подложке) lД, значение которой, как известно, связано со значением длины волны в воздухе lВ соотношением
...
где eэф – эффективная диэлектрическая проницаемость подложки. Для расчетов значения eэф можно воспользоваться графиком на рис.2, где W – ширина микрополоскового излучателя, h – толщина подложки.Площадь, занимаемая одним микрополосковым излучателем, значительно меньше площади плоского полуволнового вибратора. Поэтому при переходе к МАФАР на поверхности каждого модуля образуется свободная площадь, на которой можно располагать бескорпусные активные элементы, а также микрополосковые линии разводки цепей питания и управления.
Исходя из приведенных соотношений и данных работы [1], можно записать выражение для баланса площадей на поверхности модуля:
SмI Sид+Sппп+Sму+Sсм+ Sпупч+…,
где Sид – площадь, занимаемая излучателем на подложке; Sппп=1,08l2Д – площадь, занимаемая переключателем прием-передача; Sму=0,42l2Д – площадь, занимаемая усилителем мощности и цепями питания и управления; Sсм=0,13l2Д – площадь, занимаемая смесителем; Sпупч=0,14l2Д – площадь, занимаемая предварительным усилителем промежуточной частоты.
Анализ конкретного баланса площадей показывает, что создание передающей, приемной или приемопередающей МАФАР на подложке из определенного материала технически возможно.
Огромны преимущества бортовых МАФАР, работающих в миллиметровом диапазоне волн. Об этом говорит зависимость дальности действия радиолокационной системы RРЛС от параметров входящих в нее устройств [5]:
...
где Риз – мощность излучения; S1 – эффективная площадь передающей антенны; S2 – эффективная площадь приемной антенны; l – длина рабочей волны; Pпр мин — минимальное значение принимаемой мощности, s — эффективная площадь рассеяния радиолокационной цели.
Из этого соотношения следует, что дальность действия радиолокационной системы существенно зависит от длины рабочей волны, т.е. увеличивается с уменьшением l.
Площадь приемной и передающей МАФАР можно значительно увеличить по сравнению с антеннами в виде параболических рефлекторов. Поскольку форма МАФАР не обязательно должна быть строго плоской, их можно располагать на больших неплоских поверхностях корпуса и крыльев летательного аппарата в виде обшивки. Возникающие при этом искажения фазового фронта излучаемых и принимаемых сигналов компенсируют сигналами, подаваемыми на фазовращатели. Для искусственного “выравнивания” поверхности МАФАР используют соответствующие алгоритмы автоматического диаграммоформирования.
Над созданием таких МАФАР серьезно работают специалисты ряда российских предприятий и вузов. В ходе НИОКР найдено немало оригинальных технических решений. Одно из них — универсальный модуль МАФАР требуемого размера. Модуль представляет собой поликоровую подложку размером 40х40х0,25 мм, на одной стороне которой размещена решетка из 64 прямоугольных микрополосковых излучателей. Питание излучателей осуществляется с помощью микрополосковой несимметричной линии по разветвленной схеме, т.е. по схеме параллельного синфазного питания. Изгибы линий выполнены так, что их длина кратна lД/2. Обратная сторона подложки имеет металлизированную поверхность, на которой размещены полупроводниковые активные элементы. При необходимости активные устройства можно разместить и на передней стороне модуля.
Области применения микрополоскового модуля охватывают системы связи, радиолокационные и радионавигационные станции, устройства связи между компьютерами, командные радиолинии, средства охранной сигнализации и другие радиоэлектронные системы. Благодаря особой схеме модулятора, которая способна выполнять и функцию смесителя для приемного тракта, модуль можно использовать как в передающих, так и в приемных радиотрактах.
На рис.3 схематически изображена антенная решетка универсального модуля и увеличенная фотография его отдельных элементов, а на рис.4 — фотография лабораторного макета универсального модуля, работающего на частоте 32 ГГц. Результаты экспериментальной оценки демонстрационных образцов подтвердили следующие параметры модулей, функционирующих на частотах 32—36 ГГц:
На универсальных модулях может быть скомпонован радиолокатор предупреждения столкновений наземных транспортных средств. Для создания системы предупреждения столкновений летательных аппаратов в воздухе необходимо примерно 10 радиолокаторов — по числу секторов наблюдения. Общая масса такой автономной системы не превысит 10 кг, а габариты — 80х160х25 мм. Такие радиолокационные системы будут размещаться на поверхности ЛА в виде разумной обшивки.
Экспериментальные исследования показывают, что, используя универсальные микроэлектронные модули как базовые элементы, за короткий срок можно создать активные и пассивные многофункциональные РЭС, по техническим и стоимостным характеристикам примерно на два порядка превосходящие аналогичные системы в традиционном исполнении. На сегодня разработчиками подготовлена техническая документация и изготовлена партия лабораторных макетов универсальных микроэлектронных модулей, действующих в диапазоне крайне высоких частот.
Контактный телефон
для заинтересованных в сотрудничестве
(095)158-68-00 (кафедра МАИ)
Литературa
1. Войнич Б.А. Энергетический и конструкторский расчет микроэлектронных радиотехнических систем. – М.: МАИ, 1997.
2. Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем. – М.: Мир, 1965.
3. Конструирование аппаратуры на БИС и СБИС. Под ред. Б.Ф.Высоцкого и В.Н.Сретенского. – М.: Радио и связь, 1989.
4. Высоцкий Б.Ф., Войнич Б.А. Элементы инженерного расчета микроэлектронных радиолокационных устройств. – М.: МАИ, 1994.
5. Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радиолокационные и радионавигационные системы. – М.: Радио и связь, 1994.
Для создания диаграммы направленности определенной ширины зеркало антенны необходимо изготавливать с высокой точностью. Неровности на его поверхности не должны превышать значения (1/16ё1/20)l, где l — длина рабочей волны. Кроме того, зеркало должно иметь достаточно высокую механическую прочность, чтобы сохранять постоянство формы поверхности при движении антенны и перегрузках во время маневра летательного аппарата.
Поворот оси диаграммы направленности в классической бортовой РЛС осуществляется механическим поворотом всего зеркала антенны вместе с облучателем, который расположен на определенном фокусном расстоянии от зеркала.
В большинстве антенн с параболическими отражателями [2] отношение фокусного расстояния к диаметру антенны составляет 0,3ё0,5. Поэтому объем VЗА, необходимый для размещения зеркальной антенны с облучателем, может быть приблизительно оценен как Vза C 0,25 D3З, где DЗ – раскрыв зеркальной антенны. Если выразить DЗ через ширину диаграммы направленности a и длину рабочей волны как DЗ =l/a, то выражение примет вид:
...
При оценке объема всей РЛС с зеркальной антенной VРЛС значение V3А необходимо увеличить в 1,5ё2 раза, чтобы учесть другие элементы радиолокационного тракта, например систему приводов антенны, передатчик и др.:
...
Поскольку передатчик такой РЛС генерирует короткие импульсы мощностью в десятки и сотни киловатт, для предотвращения электрического пробоя между элементами передатчика, модулятора и источника питания эти устройства герметизируют с помощью защитных кожухов, которые, к тому же, обеспечивают необходимый теплоотвод. В результате объем и масса РЛС возрастают почти на 50%.
При проектировании бортовых РЛС с зеркальными антеннами нельзя забывать об электрической прочности антенно-фидерного тракта, в который входят вращающиеся волноводные устройства и облучатель антенны. Почти вся мощность, излучаемая РЛС, сосредоточена на выходе облучателя. Поэтому при увеличении высоты подъема РЛС над землей около облучателя возможен пробой воздуха, который нарушает работу РЛС. Габариты или площадь облучателя обычно стараются делать поменьше, чтобы не затенять раскрыв антенны. В результате напряженность поля увеличивается, и вероятность пробоя повышается.
Инженерный облик бортовой РЛС коренным образом меняется, если в качестве антенны использовать плоскую активную фазированную решетку (АФАР). В этом случае большая часть устройств, входящих в состав РЛС, размещается с одной стороны такой АФАР [3]. Современные бортовые радиоэлектронные системы в основном построены на основе АФАР.
При одинаковой с параболической антенной площади, например 1 м2, на поверхности АФАР можно разместить до 4 тыс. излучателей с расстоянием между ними l/2 при l=3 см. Для формирования синфазного поля в раскрыве АФАР необходимо синфазно управлять отдельными усилителями, каждый из которых работает на свой излучатель. Такую возможность обеспечивает схема разводки, которую можно размещать как на обратной, так и на передней стороне АФАР. Поворот диаграммы направленности на определенный угол, а также стабилизация луча в пространстве производится не путем поворота всей антенны, а изменением фазового распределения в раскрыве АФАР с помощью фазовращателей.
Построение РЛС на основе АФАР существенно улучшает массогабаритные характеристики и надежность станции. Объем, занимаемый РЛС с АФАР (VАФАР), можно оценить по выражению:
...
Как видим, объем РЛС с АФАР на один-два порядка меньше объема РЛС с зеркальной антенной. В конструкции АФАР можно размещать очень большое число маломощных генераторов. В результате при больших значениях суммарной излучаемой мощности существенно снижается вероятность пробоя воздуха.
Современная элементная база и новейшие микроэлектронные технологии позволяют создавать полностью микроэлектронные АФАР (МАФАР), в состав которых могут входить основные компоненты РЛС. Рассмотрим возможность построения таких РЛС на примере оценочного расчета конструкции МАФАР [1].
На рис.1 приведена часть диэлектрической подложки, на поверхности которой расположены все активные и пассивные элементы РЛС. Расстояние между центрами излучателей антенной решетки принято равным половине длины волны в воздухе lВ, что обеспечивает максимальный угол поворота диаграммы направленности без образования бокового дифракционного лепестка, следующего в процессе сканирования за главным лепестком. В этом случае площадь поверхности подложки, которая может быть отведена для размещения всех элементов модуля РЛС, составляет SМ=lВ/2.lВ/2=0,25l2В.
Если в качестве излучателя использовать плоский полуволновой вибратор и расположить его над поверхностью подложки (т.е. в воздухе), то все элементы РЛС придется размещать с другой стороны подложки (т.е. за излучающей поверхностью), поскольку площадь такого излучателя равна SИВ= lВ/2.lВ/4 = l2В /8. По такому принципу построены объемные модули, разработанные по программам MERA и PASSR [4]. Однако объемные модули имеют целый ряд недостатков, в частности значительный объем, массу, сложность построения цепей управления и питания. Положение существенным образом меняется, если излучатель напылить в виде микрополосковой линии на поверхность подложки с большим значением диэлектрической проницаемости e. Тогда размеры излучателя будут зависеть от длины волны в диэлектрике (подложке) lД, значение которой, как известно, связано со значением длины волны в воздухе lВ соотношением
...
где eэф – эффективная диэлектрическая проницаемость подложки. Для расчетов значения eэф можно воспользоваться графиком на рис.2, где W – ширина микрополоскового излучателя, h – толщина подложки.Площадь, занимаемая одним микрополосковым излучателем, значительно меньше площади плоского полуволнового вибратора. Поэтому при переходе к МАФАР на поверхности каждого модуля образуется свободная площадь, на которой можно располагать бескорпусные активные элементы, а также микрополосковые линии разводки цепей питания и управления.
Исходя из приведенных соотношений и данных работы [1], можно записать выражение для баланса площадей на поверхности модуля:
SмI Sид+Sппп+Sму+Sсм+ Sпупч+…,
где Sид – площадь, занимаемая излучателем на подложке; Sппп=1,08l2Д – площадь, занимаемая переключателем прием-передача; Sму=0,42l2Д – площадь, занимаемая усилителем мощности и цепями питания и управления; Sсм=0,13l2Д – площадь, занимаемая смесителем; Sпупч=0,14l2Д – площадь, занимаемая предварительным усилителем промежуточной частоты.
Анализ конкретного баланса площадей показывает, что создание передающей, приемной или приемопередающей МАФАР на подложке из определенного материала технически возможно.
Огромны преимущества бортовых МАФАР, работающих в миллиметровом диапазоне волн. Об этом говорит зависимость дальности действия радиолокационной системы RРЛС от параметров входящих в нее устройств [5]:
...
где Риз – мощность излучения; S1 – эффективная площадь передающей антенны; S2 – эффективная площадь приемной антенны; l – длина рабочей волны; Pпр мин — минимальное значение принимаемой мощности, s — эффективная площадь рассеяния радиолокационной цели.
Из этого соотношения следует, что дальность действия радиолокационной системы существенно зависит от длины рабочей волны, т.е. увеличивается с уменьшением l.
Площадь приемной и передающей МАФАР можно значительно увеличить по сравнению с антеннами в виде параболических рефлекторов. Поскольку форма МАФАР не обязательно должна быть строго плоской, их можно располагать на больших неплоских поверхностях корпуса и крыльев летательного аппарата в виде обшивки. Возникающие при этом искажения фазового фронта излучаемых и принимаемых сигналов компенсируют сигналами, подаваемыми на фазовращатели. Для искусственного “выравнивания” поверхности МАФАР используют соответствующие алгоритмы автоматического диаграммоформирования.
Над созданием таких МАФАР серьезно работают специалисты ряда российских предприятий и вузов. В ходе НИОКР найдено немало оригинальных технических решений. Одно из них — универсальный модуль МАФАР требуемого размера. Модуль представляет собой поликоровую подложку размером 40х40х0,25 мм, на одной стороне которой размещена решетка из 64 прямоугольных микрополосковых излучателей. Питание излучателей осуществляется с помощью микрополосковой несимметричной линии по разветвленной схеме, т.е. по схеме параллельного синфазного питания. Изгибы линий выполнены так, что их длина кратна lД/2. Обратная сторона подложки имеет металлизированную поверхность, на которой размещены полупроводниковые активные элементы. При необходимости активные устройства можно разместить и на передней стороне модуля.
Области применения микрополоскового модуля охватывают системы связи, радиолокационные и радионавигационные станции, устройства связи между компьютерами, командные радиолинии, средства охранной сигнализации и другие радиоэлектронные системы. Благодаря особой схеме модулятора, которая способна выполнять и функцию смесителя для приемного тракта, модуль можно использовать как в передающих, так и в приемных радиотрактах.
На рис.3 схематически изображена антенная решетка универсального модуля и увеличенная фотография его отдельных элементов, а на рис.4 — фотография лабораторного макета универсального модуля, работающего на частоте 32 ГГц. Результаты экспериментальной оценки демонстрационных образцов подтвердили следующие параметры модулей, функционирующих на частотах 32—36 ГГц:
На универсальных модулях может быть скомпонован радиолокатор предупреждения столкновений наземных транспортных средств. Для создания системы предупреждения столкновений летательных аппаратов в воздухе необходимо примерно 10 радиолокаторов — по числу секторов наблюдения. Общая масса такой автономной системы не превысит 10 кг, а габариты — 80х160х25 мм. Такие радиолокационные системы будут размещаться на поверхности ЛА в виде разумной обшивки.
Экспериментальные исследования показывают, что, используя универсальные микроэлектронные модули как базовые элементы, за короткий срок можно создать активные и пассивные многофункциональные РЭС, по техническим и стоимостным характеристикам примерно на два порядка превосходящие аналогичные системы в традиционном исполнении. На сегодня разработчиками подготовлена техническая документация и изготовлена партия лабораторных макетов универсальных микроэлектронных модулей, действующих в диапазоне крайне высоких частот.
Контактный телефон
для заинтересованных в сотрудничестве
(095)158-68-00 (кафедра МАИ)
Литературa
1. Войнич Б.А. Энергетический и конструкторский расчет микроэлектронных радиотехнических систем. – М.: МАИ, 1997.
2. Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем. – М.: Мир, 1965.
3. Конструирование аппаратуры на БИС и СБИС. Под ред. Б.Ф.Высоцкого и В.Н.Сретенского. – М.: Радио и связь, 1989.
4. Высоцкий Б.Ф., Войнич Б.А. Элементы инженерного расчета микроэлектронных радиолокационных устройств. – М.: МАИ, 1994.
5. Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радиолокационные и радионавигационные системы. – М.: Радио и связь, 1994.
Отзывы читателей
