Расчет ППМ для АФАР

В данной статье хочу поделиться своим опытом расчетов ППМ для АФАР.

Итак , передо мной стояла задача расчета ППМ (Приемно-передающий модуль) по следующим требованиям:

1. Разработать функциональную схему ППМ, указав в ней устройства, определяющие заданные характеристики.

2. Представить эскиз конструкции ППМ.

3. Рассчитать  КПД  ППМ.

4. В каждом из 4-х каналов ППМ на прием и передачу должны быть установлены пятиразрядные фазовращатели.

5. В каждом из 4-х каналов ППМ на прием должны быть установлены пятиразрядные аттенюаторы.

6. Определить ряд необходимых напряжений питания.

Характеристики ППМ

• диапазон рабочих частот: 2,9…3,3 ГГц (S- диапазон),

• количество каналов ППМ: 4,

• импульсная выходная мощность канала 60: Вт,

• входная мощность ППМ: 500 мВт,

• длительность импульсов: 50 мкс,

• скважность: 5,

• коэффициент усиления приемного канала: 20 дБ.

Структурная схема ППМ

Для начала рассмотрим структурную схему ППМ:

Канал АФАР:

Приемный канал

Между входом с апертуры антенны и сумматором в ППМ должны находиться следующие устройства:

1. входной и выходной циркуляторы для разделения сигнала между приемным и передающим каналом;

2. защитное устройство (ЗУ) для защиты малошумящих усилителей (МШУ) от помех высокой мощности;

3. каскад МШУ для усиления сигнала, шестиразрядный фазовращатель для управления диаграммой направленности (ДН); (тут интересно - по условия нам нужен 5-ти разрядный фазовращатель, но на рынке таких нет - для заданых характеристик, поэтому возьмем 6-ти разрядный, просто будем задействовать его как 5-ти разрядный);

4. пятиразрядный аттенюатор (по условиям задания) для управления мощностью сигнала и, при необходимости, вентили для предотвращения самовозбуждения.

Циркулятор

Циркуляторы я выбрал фирмы ARGUS-ET

Фазовращатель

Фазовращатель выбрал фирмы M/A-Com Tech - согласно заданным условиям:

Аттенюатор

Идем дальше - так же рассматриваю продукцию фирмы M/A-Com Tech:

МШУ

МШУ так же искал у фирмы  M/A-Com Tech :

Защитное устройство

В качестве защитного устройства рассмотрим продукцию фирмы АО НИИПП:

Расчет приемного канала

Согласно условию поставленной задачи :

• коэффициент усиления приемного канала должен быть 20 дБ

• потери на фазовращателе: -3.2 дБ

• минимальные потери на аттенюаторе: -1.5 дБ

• суммарные потери на циркуляторах: -1 дБ

• коэффициент усиления МШУ: 16 дБ

Итого: 16 дБ – 3.2 дБ – 1.5 дБ – 1 дБ  = 10.3 дБ < 20 дБ

Таким образом, видим необходимость установки еще одного МШУ в канал. Для защиты от самовозбуждения также установим вентиль между МШУ. Суммарное максимальное усиление с учетом потерь на вентиле будет составлять 25.8дБ. Снижение усиления до желаемых 20 дБ производится за счет перестройки управляемого аттенюатора.

Таким образом, приемный канал будет выглядеть так, как представлено на рисунке ниже.

Передающий канал

В передающем канале должны присутствовать каскад усилителей и фазовращатель, а также вентиль и аттенюатор при необходимости. В качестве фазовращателя выберем то же устройство что и в приёмном канале. Его установка производится в начале канала, чтобы уменьшить снижение КПД модуля.

Импульсная выходная мощность должна составлять 60 Вт или 48 дБм.

Усилитель мощности

Рассмотрим усилители мощности фирмы MIMIX

Расчет передающего канала

имеет коэффициент усиления (КУ) 27 дБ с мощностью насыщения на выходе в +39 дБм. С учетом потерь на циркуляторе(0.5) получается комфортное для нас значение, поэтому выберем данный усилитель последним в каскаде усиления передающего канала.

По условиям, входная мощность ППМ равна 0,5 Вт или 27 дБм. Делитель на 4 канала дает ослабление сигнала минимум на 9 дБ. С учетом потерь на циркуляторе и фазовращателе остаточная мощность будет равна:

~27 – 9 -3.2 – 2 = 12.8 дБм.

Таким образом, видно, что одного усилителя недостаточно. Добавив предварительный усилитель МААП-010171 производства фирмы MIMIX с мощностью насыщения +39 дБм и КУ равным 27 дБ, мы добьемся нужных параметров выходного сигнала в идеализированном случае. Однако, расчет потерь на делителе является оценочным и не учитывает потери в тракте. Также между усилителями стоит установить вентиль для защиты канала от самовозбуждения. Поэтому предлагается добавить после фазовращателя еще один предварительный усилитель мощности, а после него установить управляемый дискретный аттенюатор (такой же, как и в приемном канале).

В итоге, передающий канал будет иметь вид, изображенный на рисунке снизу.

Расчет КПД

Формула для расчета КПД ППМ:

Рц- нормированное значение мощности, потребляемой
цифровой частью,
Pпр- нормированное значение потребляемой
мощности приемника в непрерывном режиме.

Следовательно, получаем:

Напряжения питания

Для рядя ключевых элементов определим питание  будет составлять однополярное +5В и двухполярное +8В/-5В.

Питание будем подводить к каждому каналу, через систему распределения питания.

Эскиз конструкции ППМ

Надеюсь моя статья была вам полезна! :-)