eng
Выпуск #3/2024
Е. Старовойтов, Е. Скиба, Л. Недашковский
СВЧ-МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ ДЗЗ И СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ. ЧАСТЬ 1
СВЧ-МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ ДЗЗ И СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ. ЧАСТЬ 1
Просмотры: 561
DOI: 10.22184/1992-4178.2024.234.3.148.152
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 1
Е. Старовойтов, к. т. н., Е. Скиба, Л. Недашковский
Прогресс космонавтики во многом определяется уровнем развития радиоэлектроники, одним из направлений которой является техника СВЧ, широко используемая в космической связи, навигационных системах космических аппаратов (КА), аппаратуре для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и других областях.
СВЧ-электроника космического назначения
К настоящему времени в космической технике освоена большая часть СВЧ-диапазона (от 300 МГц до 300 ГГц). Работа в этой части спектра электромагнитного излучения облегчается тем, что радиоволны испытывают минимальные потери при прохождении через земную атмосферу, легко фокусируются в узкую диаграмму направленности (ДН), а полученные радиолокационные изображения обладают высоким разрешением (до 1 м).
Это и определяет основные области применения СВЧ-техники в космосе: связь и радиолокация.
Космическая связь в настоящее время стала неотъемлемой частью современных информационных систем, включающих в себя как низкоскоростные (телефония
и пейджинговые сервисы), так и высокоскоростные (интернет, телевидение высокого разрешения и т.д.) каналы передачи данных. В результате продолжающих возрастать требований к характеристикам космических радиолиний, промышленность выпускает широкую номенклатуру электронной компонентной базы (ЭКБ) для СВЧ-диапазона.
Космические радиолокационные системы широко применяются в ДЗЗ. Большое распространение получило применение радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) космического базирования, обладающих следующими преимуществами:
независимостью от метеорологических условий и освещенности земной поверхности;
высокой точностью измерения геометрических характеристик объектов;
построением трехмерных карт рельефа местности;
выявлением внутренней структуры и других свойств объектов наблюдения;
обнаружением объектов под снежным или растительным покровом, а также подводных объектов по поверхностным проявлениям глубинных процессов в водной среде.
В радиолокационной аппаратуре широко используются активные фазированные антенные решетки (АФАР), позволяющие мгновенно перенацеливать ДН без использования механических приводов (что очень критично для работы в условиях космоса), обеспечивая при этом высокий энергетический потенциал радиолинии. Применение цифровых АФАР (т.н. ЦАР) обеспечивает следующие преимущества:
Широкополосная поляриметрическая ЦАР Х-диапазона бортового радиолокатора «Касатка-Р» (разработка АО «НИИ ТП»), предназначенного для ДЗЗ, показана на рис. 1.
Кроме радиолокации, существуют и другие, перспективные с коммерческой точки зрения, направления использования аппаратуры на основе АФАР, применение которых повышает энергетическую эффективность радиолиний. Однако развитие этих рынков возможно при
появлении аппаратуры низкого и среднего ценового сегмента. Цена АФАР в основном определяется стоимостью используемых в ней приемопередающих модулей (ППМ), от которых зависит большая часть тактико-технических характеристик аппаратуры в целом.
Бортовая радиоэлектронная аппаратура (РЭА) СВЧ-диапазона должна иметь следующие характеристики [1]:
высокую механическую прочность;
устойчивость к внешним воздействующим факторам космического полета (вакууму, радиации, механическим нагрузкам);
высокую вероятность безотказной работы в течение всего срока активного существования КА (до 15 лет);
низкое тепловыделение;
минимум паразитных связей по электромагнитным полям соседних компонентов, линий передачи и элементов монтажа;
высокую добротность согласующих цепей как на распределенных, так и на сосредоточенных элементах;
малые искажения фазовых характеристик элементов в рабочем диапазоне частот.
Большая часть этих характеристик определяется используемой ЭКБ, от которой также зависит стоимость РЭА и КА в целом. Одними из наиболее критичных для космической техники параметров являются масса и габаритные характеристики, ограниченные возможностями ракеты-носителя и стоимостью выведения полезного груза на целевую орбиту.
При этом СВЧ-устройства поддаются миниатюризации труднее, чем другие разновидности электронной техники. Однако использование новых монолитных интегральных СВЧ-схем позволяет в 2–3 раза снизить массу и габариты бортовой РЭА.
В данной работе из всего многообразия ЭКБ СВЧ-диапазона космического применения будут рассмотрены синтезаторы частоты, квадратурные модуляторы (КМ) и квадратурные демодуляторы (КДМ), широко применяемые в системах связи и радиолокации.
Квадратурная модуляция
СВЧ-сигналов
Управление амплитудой и фазой колебаний СВЧ-диапазона используется в радиотехнических устройствах для формирования несущего информацию сигнала, при электронном управлении пространственным положением и формой ДН, а также во многих других задачах.
Радиосигнал на выходе модулятора можно записать в виде
U(t) = u(t)cos[ω0t + Ф(t)], (1)
где u(t) – закон изменения амплитуды сигнала; ω0 = 2πƒ0 – несущая частота; Ф(t) – отклонение фазы сигнала от линейного во времени закона.
Квадратурной модуляцией (I/Q модуляцией) называется процесс преобразования сигнала (1) в виде разности двух амплитудно-модулированных колебаний [2]:
U(t) = √ ∙[I(t)∙cos(ω0∙t) – Q(t)∙sin(ω0∙t)], (2)
где I(t) и Q(t) – квадратурные составляющие информационного сигнала; Е – энергия битовой посылки; Т – длительность элементарной посылки.
КМ имеет два входа для синфазной и квадратурной составляющих, которые умножаются на соответствующий сигнал от высокочастотного генератора и затем суммируются для получения высокочастотного модулированного колебания. Такая схема включения является балансной и позволяет исключить процедуру фильтрации зеркальной составляющей сигнала.
КДМ выделяет информационный сигнал из модулированного сигнала. Распространенная на практике типовая схема радиолинии космической связи с непосредственной модуляцией и демодуляцией СВЧ-сигнала представлена на рис. 2 [3].
В радиопередающем тракте формирователь сигналов (ФС) формирует действительную и мнимую часть комплексной огибающей информационного сигнала, поступающих на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), после которого уже аналоговые сигналы идут на вход КМ, где осуществляется перенос широкополосного сигнала, представленного в виде квадратурных составляющих (действительной части и мнимой части) на частоту несущего колебания. Генератор (Г) формирует два синусоидальных сигнала несущего колебания, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 90°. Полосовой фильтр (ПФ) убирает из сформированного сигнала нежелательные высокочастотные составляющие, возникающие при аналоговой квадратурной модуляции.
Далее сигнал усиливается усилителем мощности (УМ)
и направляется на передающую антенну.
Распространяющийся по линии «Спутник-Земля» или «Земля-Спутник» радиосигнал через приемную антенну поступает на вход малошумящего усилителя (МШУ), да-лее проходит фильтрацию с помощью ПФ, после чего попадает на вход аналогового КДМ, где производится выделение квадратурных составляющих и перенос спектра сигнала на «нулевую» частоту. Затем сигнал с выхода КДМ идет на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), после которого уже выдается в устройство обработки информации (УОС).
Работа аппаратуры космической связи, как и других радиотехнических систем, основана на использовании сигналов со стабильными параметрами: частотой, фазой, формой огибающей. Для их получения требуются источники опорных колебаний, устойчивые по отношению к различным дестабилизирующим воздействиям, а также позволяющие изменять параметры создаваемых сигналов.
Этими источниками являются синтезаторы частоты – специальные устройства, предназначенные для получения одного или нескольких колебаний, когерентных колебанию высокостабильного эталонного источника сигнала. Они формируют из сигнала фиксированной частоты fС сигнал на связанной с ней желаемой частоте и с желаемой фазой fвых = ε∙fС , (3)
где ε – масштабирующий множитель (нормированная частота).
Синтезаторы частоты могут быть построены на базе аналоговой или цифровой схемотехники, также существуют гибридные устройства и схемы на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Синтезаторы прямого аналогового синтеза (Direct Analog Synthesis, DAS) обладают широкой полосой перестройки, малым уровнем шума и низким уровнем
паразитных спектральных составляющих выходного сигнала, но имеют громоздкую конструкцию и высокую цену.
Прямые цифровые синтезаторы (Direct Digital Synthesizer, DDS) строятся на основе вычислительных операций с кодами отсчетов сигнала и выходного ЦАП, обеспечивают малые погрешности установки параметров, имеют широкие возможности по модуляции,
небольшое время перехода от одной частоты к другой, но их выходные частоты ограничены быстродействием цифровых узлов.
Синтезатор DDS преобразует последовательность импульсов тактового сигнала в аналоговое колебание, как правило, синусоидальной, треугольной или прямоугольной формы. В случае синусоидальных выходных сигналов преобразователь фазы в цифровой код обычно представляет собой таблицу значений синуса.
Фазовый аккумулятор осуществляет суммирование текущего значения с величиной N для формирования
частоты, равной
fвых = ∙ fC , (4)
где N – количество импульсов частоты fC, соответствующее приращению выходного значения фазового аккумулятора; M – разрешение слова настройки [4].
В связи с тем, что изменение N приводит к мгновенному изменению частоты и фазы выходного сигнала, то, по определению, архитектура DDS не дает разрывов фазы сигнала, что является критическим требованием во многих задачах. Кроме того, в отличие от аналоговых систем, таких как системы ФАПЧ, синтезатор DDS не требует времени на стабилизацию контура.
Управление АФАР для РСА ДЗЗ
Современные РСА космического базирования являются эффективными и многофункциональными средствами ДЗЗ с широким спектром возможностей. В последние годы наблюдается переход к применению более компактных систем на базе малых КА. Как правило, в РСА используется импульсный режим зондирования, позволяющий упростить антенную систему и предоставляющий больше возможностей для вариаций технических характеристик. Основным временным параметром съемки является частота повторения зондирующих импульсов [5].
К генераторам опорных частот и сигналов, используемым в космических РСА, предъявляются жесткие требования по стабильности частоты, обеспечивающей повторяемость материалов радиолокационной съемки,
и фазовым искажениям для предотвращения появления ложных боковых лепестков ДН антенного полотна [6].
Конструкция ЦАР позволяет вести электронную настройку и подстройку в полете КА за счет крайне малого дискрета управления фазой сигнала. Фазовые сдвиги формируются цифровыми синтезаторами частот, однако их большое количество снижает надежность
и увеличивает потребляемую мощность аппаратуры [7].
Наибольшую площадь среди микросхем, используемых в ППМ АФАР, имеют ступенчатые многоразрядные аттенюаторы и фазовращатели, служащие для формирования ДН антенны. При этом требуемая площадь обусловлена физическими принципами работы приборов, а стоимость доминирующих в данной аппаратуре микросхем на основе GaAs прямо пропорциональна их площади [8].
Альтернативой использованию этих дорогостоящих компонентов в составе АФАР является построение диаграммообразующих цепей ППМ на основе принципа квадратурной амплитудной модуляции [7, 8].
В квадратурной АФАР (рис. 3) сигналы нужных фаз формируются путем сложения сигналов двух квадратурных сигналов с соответствующими амплитудами. В передающем тракте каждого ППМ имеется КМ, на высокочастотный вход которого подается заранее сформированный сигнал на несущей частоте fн. Изменение амплитудно-фазовой характеристики несущей достигается путем подачи на синфазный и квадратурный входы модулирующих сигналов, которые изначально формируются в цифровом виде в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), а затем преобразуются в аналоговую форму в ЦАП. В КМ формируется фаза сигнала в зависимости от разницы входных напряжений на устройстве. Управляя каждым квадратурным модулятором с по-
мощью ЦАП, можно получить суммарный сигнал с необходимой фазой на каждом выходе платы передающего тракта многолучевой АФАР [7].
Площадь кристалла КМ на порядок меньше, чем у дискретных аттенюаторов и фазовращателей. При этом точность установки фазы сигнала на порядок превышает уровень, обеспечиваемый дискретными СВЧ-фазовращателями, что важно для снижения уровня боковых лепестков ДН антенного полотна. Ограничениями данного метода является качественная модуляция лишь при мощности сигнала не менее 12 … 15 дБм, то есть только
в трактах передатчика и гетеродина, работающих в режиме насыщения, что не позволяет регулировать амплитуду сигнала в приемном тракте [8].
Для управления амплитудно-фазовым распределением в раскрыве ЦАР на синфазный и квадратурный входы КМ необходимо подать последовательность биполярных многоуровневых импульсов, частота следования которых соответствует требуемой скорости изменения амплитудно-фазового распределения [9].
Реализуемый дискрет фазы и амплитуды КМ не зависит от его внутренней структуры и определяется способом формирования входных I/Q сигналов – разрядностью ЦАП. Требуемая разрядность ЦАП определяется следующим выражением:
NЦАП = [ log2 ] + [ log2 ] + 1, (5)
где NЦАП – требуемая разрядность ЦАП; Δφ – дискрет
фазы; Δα – дискрет амплитуды.
С помощью КМ возможно одновременное управление фазовым и амплитудным распределением в полотне ЦАР. Изменение амплитуды и фазы выходного СВЧ-колебания осуществляется путем изменения соотношения амплитуд I/Q сигналов
A(t) = √I2 (t) + Q2 (t), (6)
φ(t) = cot(), (7)
где I(t) – амплитуда синфазного сигнала; Q(t) – амплитуда
квадратурного сигнала; А(t) – требуемая амплитуда сигнала на выходе КМ; φ(t) – требуемая амплитуда сигнала на выходе КМ.
Для одновременного управления амплитудным и фазовым распределением ЦАР синфазный и квадратурный сигналы должны формироваться в соответствии со следующими выражениями:
Ii(t) = ET∙Kαi∙αi(t)∙sin(φi(t) + φKi), (8)
Qi(t) = ET∙Kαi∙αi(t)∙cos(φi(t) + φKi), (9)
где φi – требуемое значение фазы выходного СВЧ-колебания; αi – требуемое значение амплитуды выходного СВЧ-колебания; ET – значение амплитуды выходного нап-
ряжения ЦАП; Kαi, φKi – амплитудный и фазовый коэффициенты коррекции соответственно.
Каждому значению амплитуды и фазы выходного СВЧ-колебания соответствуют свои коэффициенты коррекции, определяемые на стадии испытаний и в ходе проведения калибровки передающего тракта ППМ.
В космических РСА используют зондирующие сигналы преимущественно с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) [7].
Для случая формирования ЛЧМ сигнала на выходе КМ, сигналы синфазного и квадратурного каналов с учетом выражений (8) и (9) записываются следующим
образом [9]:
Ii (t) = ET∙Kαi∙αi (t)∙sin(φi(t) + φKi + 2π ∙t2), (10)
Qi (t) = ET∙Kαi∙αi (t)∙cos(φi (t) + φKi + 2π ∙t2), (11)
b = , (12)
где Δf – девиация частоты; Тс – длительность ЛЧМ сигнала.
Широкое использование квадратурных модуляторов и синтезаторов частот СВЧ-диапазона в бортовой РЭА делает актуальным разработку и производство соответствующей ЭКБ отечественной электронной промышленностью для нужд ракетно-космической отрасли. Во второй части будут рассмотрены микросхемы российской разработки, предназначенные для использования в системах связи и радиолокации, рассмотренных выше.
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). № 7. 2018. 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.
Е. Старовойтов, к. т. н., Е. Скиба, Л. Недашковский
Прогресс космонавтики во многом определяется уровнем развития радиоэлектроники, одним из направлений которой является техника СВЧ, широко используемая в космической связи, навигационных системах космических аппаратов (КА), аппаратуре для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и других областях.
СВЧ-электроника космического назначения
К настоящему времени в космической технике освоена большая часть СВЧ-диапазона (от 300 МГц до 300 ГГц). Работа в этой части спектра электромагнитного излучения облегчается тем, что радиоволны испытывают минимальные потери при прохождении через земную атмосферу, легко фокусируются в узкую диаграмму направленности (ДН), а полученные радиолокационные изображения обладают высоким разрешением (до 1 м).
Это и определяет основные области применения СВЧ-техники в космосе: связь и радиолокация.
Космическая связь в настоящее время стала неотъемлемой частью современных информационных систем, включающих в себя как низкоскоростные (телефония
и пейджинговые сервисы), так и высокоскоростные (интернет, телевидение высокого разрешения и т.д.) каналы передачи данных. В результате продолжающих возрастать требований к характеристикам космических радиолиний, промышленность выпускает широкую номенклатуру электронной компонентной базы (ЭКБ) для СВЧ-диапазона.
Космические радиолокационные системы широко применяются в ДЗЗ. Большое распространение получило применение радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) космического базирования, обладающих следующими преимуществами:
независимостью от метеорологических условий и освещенности земной поверхности;
высокой точностью измерения геометрических характеристик объектов;
построением трехмерных карт рельефа местности;
выявлением внутренней структуры и других свойств объектов наблюдения;
обнаружением объектов под снежным или растительным покровом, а также подводных объектов по поверхностным проявлениям глубинных процессов в водной среде.
В радиолокационной аппаратуре широко используются активные фазированные антенные решетки (АФАР), позволяющие мгновенно перенацеливать ДН без использования механических приводов (что очень критично для работы в условиях космоса), обеспечивая при этом высокий энергетический потенциал радиолинии. Применение цифровых АФАР (т.н. ЦАР) обеспечивает следующие преимущества:
- высокую помехозащищенность приемо-передающего тракта;
- формирование нескольких приемо-передающих лучей на различных частотах;
- оперативную обработку данных на борту КА.
Широкополосная поляриметрическая ЦАР Х-диапазона бортового радиолокатора «Касатка-Р» (разработка АО «НИИ ТП»), предназначенного для ДЗЗ, показана на рис. 1.
Кроме радиолокации, существуют и другие, перспективные с коммерческой точки зрения, направления использования аппаратуры на основе АФАР, применение которых повышает энергетическую эффективность радиолиний. Однако развитие этих рынков возможно при
появлении аппаратуры низкого и среднего ценового сегмента. Цена АФАР в основном определяется стоимостью используемых в ней приемопередающих модулей (ППМ), от которых зависит большая часть тактико-технических характеристик аппаратуры в целом.
Бортовая радиоэлектронная аппаратура (РЭА) СВЧ-диапазона должна иметь следующие характеристики [1]:
высокую механическую прочность;
устойчивость к внешним воздействующим факторам космического полета (вакууму, радиации, механическим нагрузкам);
высокую вероятность безотказной работы в течение всего срока активного существования КА (до 15 лет);
низкое тепловыделение;
минимум паразитных связей по электромагнитным полям соседних компонентов, линий передачи и элементов монтажа;
высокую добротность согласующих цепей как на распределенных, так и на сосредоточенных элементах;
малые искажения фазовых характеристик элементов в рабочем диапазоне частот.
Большая часть этих характеристик определяется используемой ЭКБ, от которой также зависит стоимость РЭА и КА в целом. Одними из наиболее критичных для космической техники параметров являются масса и габаритные характеристики, ограниченные возможностями ракеты-носителя и стоимостью выведения полезного груза на целевую орбиту.
При этом СВЧ-устройства поддаются миниатюризации труднее, чем другие разновидности электронной техники. Однако использование новых монолитных интегральных СВЧ-схем позволяет в 2–3 раза снизить массу и габариты бортовой РЭА.
В данной работе из всего многообразия ЭКБ СВЧ-диапазона космического применения будут рассмотрены синтезаторы частоты, квадратурные модуляторы (КМ) и квадратурные демодуляторы (КДМ), широко применяемые в системах связи и радиолокации.
Квадратурная модуляция
СВЧ-сигналов
Управление амплитудой и фазой колебаний СВЧ-диапазона используется в радиотехнических устройствах для формирования несущего информацию сигнала, при электронном управлении пространственным положением и формой ДН, а также во многих других задачах.
Радиосигнал на выходе модулятора можно записать в виде
U(t) = u(t)cos[ω0t + Ф(t)], (1)
где u(t) – закон изменения амплитуды сигнала; ω0 = 2πƒ0 – несущая частота; Ф(t) – отклонение фазы сигнала от линейного во времени закона.
Квадратурной модуляцией (I/Q модуляцией) называется процесс преобразования сигнала (1) в виде разности двух амплитудно-модулированных колебаний [2]:
U(t) = √ ∙[I(t)∙cos(ω0∙t) – Q(t)∙sin(ω0∙t)], (2)
где I(t) и Q(t) – квадратурные составляющие информационного сигнала; Е – энергия битовой посылки; Т – длительность элементарной посылки.
КМ имеет два входа для синфазной и квадратурной составляющих, которые умножаются на соответствующий сигнал от высокочастотного генератора и затем суммируются для получения высокочастотного модулированного колебания. Такая схема включения является балансной и позволяет исключить процедуру фильтрации зеркальной составляющей сигнала.
КДМ выделяет информационный сигнал из модулированного сигнала. Распространенная на практике типовая схема радиолинии космической связи с непосредственной модуляцией и демодуляцией СВЧ-сигнала представлена на рис. 2 [3].
В радиопередающем тракте формирователь сигналов (ФС) формирует действительную и мнимую часть комплексной огибающей информационного сигнала, поступающих на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), после которого уже аналоговые сигналы идут на вход КМ, где осуществляется перенос широкополосного сигнала, представленного в виде квадратурных составляющих (действительной части и мнимой части) на частоту несущего колебания. Генератор (Г) формирует два синусоидальных сигнала несущего колебания, сдвинутых по фазе друг относительно друга на 90°. Полосовой фильтр (ПФ) убирает из сформированного сигнала нежелательные высокочастотные составляющие, возникающие при аналоговой квадратурной модуляции.
Далее сигнал усиливается усилителем мощности (УМ)
и направляется на передающую антенну.
Распространяющийся по линии «Спутник-Земля» или «Земля-Спутник» радиосигнал через приемную антенну поступает на вход малошумящего усилителя (МШУ), да-лее проходит фильтрацию с помощью ПФ, после чего попадает на вход аналогового КДМ, где производится выделение квадратурных составляющих и перенос спектра сигнала на «нулевую» частоту. Затем сигнал с выхода КДМ идет на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), после которого уже выдается в устройство обработки информации (УОС).
Работа аппаратуры космической связи, как и других радиотехнических систем, основана на использовании сигналов со стабильными параметрами: частотой, фазой, формой огибающей. Для их получения требуются источники опорных колебаний, устойчивые по отношению к различным дестабилизирующим воздействиям, а также позволяющие изменять параметры создаваемых сигналов.
Этими источниками являются синтезаторы частоты – специальные устройства, предназначенные для получения одного или нескольких колебаний, когерентных колебанию высокостабильного эталонного источника сигнала. Они формируют из сигнала фиксированной частоты fС сигнал на связанной с ней желаемой частоте и с желаемой фазой fвых = ε∙fС , (3)
где ε – масштабирующий множитель (нормированная частота).
Синтезаторы частоты могут быть построены на базе аналоговой или цифровой схемотехники, также существуют гибридные устройства и схемы на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Синтезаторы прямого аналогового синтеза (Direct Analog Synthesis, DAS) обладают широкой полосой перестройки, малым уровнем шума и низким уровнем
паразитных спектральных составляющих выходного сигнала, но имеют громоздкую конструкцию и высокую цену.
Прямые цифровые синтезаторы (Direct Digital Synthesizer, DDS) строятся на основе вычислительных операций с кодами отсчетов сигнала и выходного ЦАП, обеспечивают малые погрешности установки параметров, имеют широкие возможности по модуляции,
небольшое время перехода от одной частоты к другой, но их выходные частоты ограничены быстродействием цифровых узлов.
Синтезатор DDS преобразует последовательность импульсов тактового сигнала в аналоговое колебание, как правило, синусоидальной, треугольной или прямоугольной формы. В случае синусоидальных выходных сигналов преобразователь фазы в цифровой код обычно представляет собой таблицу значений синуса.
Фазовый аккумулятор осуществляет суммирование текущего значения с величиной N для формирования
частоты, равной
fвых = ∙ fC , (4)
где N – количество импульсов частоты fC, соответствующее приращению выходного значения фазового аккумулятора; M – разрешение слова настройки [4].
В связи с тем, что изменение N приводит к мгновенному изменению частоты и фазы выходного сигнала, то, по определению, архитектура DDS не дает разрывов фазы сигнала, что является критическим требованием во многих задачах. Кроме того, в отличие от аналоговых систем, таких как системы ФАПЧ, синтезатор DDS не требует времени на стабилизацию контура.
Управление АФАР для РСА ДЗЗ
Современные РСА космического базирования являются эффективными и многофункциональными средствами ДЗЗ с широким спектром возможностей. В последние годы наблюдается переход к применению более компактных систем на базе малых КА. Как правило, в РСА используется импульсный режим зондирования, позволяющий упростить антенную систему и предоставляющий больше возможностей для вариаций технических характеристик. Основным временным параметром съемки является частота повторения зондирующих импульсов [5].
К генераторам опорных частот и сигналов, используемым в космических РСА, предъявляются жесткие требования по стабильности частоты, обеспечивающей повторяемость материалов радиолокационной съемки,
и фазовым искажениям для предотвращения появления ложных боковых лепестков ДН антенного полотна [6].
Конструкция ЦАР позволяет вести электронную настройку и подстройку в полете КА за счет крайне малого дискрета управления фазой сигнала. Фазовые сдвиги формируются цифровыми синтезаторами частот, однако их большое количество снижает надежность
и увеличивает потребляемую мощность аппаратуры [7].
Наибольшую площадь среди микросхем, используемых в ППМ АФАР, имеют ступенчатые многоразрядные аттенюаторы и фазовращатели, служащие для формирования ДН антенны. При этом требуемая площадь обусловлена физическими принципами работы приборов, а стоимость доминирующих в данной аппаратуре микросхем на основе GaAs прямо пропорциональна их площади [8].
Альтернативой использованию этих дорогостоящих компонентов в составе АФАР является построение диаграммообразующих цепей ППМ на основе принципа квадратурной амплитудной модуляции [7, 8].
В квадратурной АФАР (рис. 3) сигналы нужных фаз формируются путем сложения сигналов двух квадратурных сигналов с соответствующими амплитудами. В передающем тракте каждого ППМ имеется КМ, на высокочастотный вход которого подается заранее сформированный сигнал на несущей частоте fн. Изменение амплитудно-фазовой характеристики несущей достигается путем подачи на синфазный и квадратурный входы модулирующих сигналов, которые изначально формируются в цифровом виде в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), а затем преобразуются в аналоговую форму в ЦАП. В КМ формируется фаза сигнала в зависимости от разницы входных напряжений на устройстве. Управляя каждым квадратурным модулятором с по-
мощью ЦАП, можно получить суммарный сигнал с необходимой фазой на каждом выходе платы передающего тракта многолучевой АФАР [7].
Площадь кристалла КМ на порядок меньше, чем у дискретных аттенюаторов и фазовращателей. При этом точность установки фазы сигнала на порядок превышает уровень, обеспечиваемый дискретными СВЧ-фазовращателями, что важно для снижения уровня боковых лепестков ДН антенного полотна. Ограничениями данного метода является качественная модуляция лишь при мощности сигнала не менее 12 … 15 дБм, то есть только
в трактах передатчика и гетеродина, работающих в режиме насыщения, что не позволяет регулировать амплитуду сигнала в приемном тракте [8].
Для управления амплитудно-фазовым распределением в раскрыве ЦАР на синфазный и квадратурный входы КМ необходимо подать последовательность биполярных многоуровневых импульсов, частота следования которых соответствует требуемой скорости изменения амплитудно-фазового распределения [9].
Реализуемый дискрет фазы и амплитуды КМ не зависит от его внутренней структуры и определяется способом формирования входных I/Q сигналов – разрядностью ЦАП. Требуемая разрядность ЦАП определяется следующим выражением:
NЦАП = [ log2 ] + [ log2 ] + 1, (5)
где NЦАП – требуемая разрядность ЦАП; Δφ – дискрет
фазы; Δα – дискрет амплитуды.
С помощью КМ возможно одновременное управление фазовым и амплитудным распределением в полотне ЦАР. Изменение амплитуды и фазы выходного СВЧ-колебания осуществляется путем изменения соотношения амплитуд I/Q сигналов
A(t) = √I2 (t) + Q2 (t), (6)
φ(t) = cot(), (7)
где I(t) – амплитуда синфазного сигнала; Q(t) – амплитуда
квадратурного сигнала; А(t) – требуемая амплитуда сигнала на выходе КМ; φ(t) – требуемая амплитуда сигнала на выходе КМ.
Для одновременного управления амплитудным и фазовым распределением ЦАР синфазный и квадратурный сигналы должны формироваться в соответствии со следующими выражениями:
Ii(t) = ET∙Kαi∙αi(t)∙sin(φi(t) + φKi), (8)
Qi(t) = ET∙Kαi∙αi(t)∙cos(φi(t) + φKi), (9)
где φi – требуемое значение фазы выходного СВЧ-колебания; αi – требуемое значение амплитуды выходного СВЧ-колебания; ET – значение амплитуды выходного нап-
ряжения ЦАП; Kαi, φKi – амплитудный и фазовый коэффициенты коррекции соответственно.
Каждому значению амплитуды и фазы выходного СВЧ-колебания соответствуют свои коэффициенты коррекции, определяемые на стадии испытаний и в ходе проведения калибровки передающего тракта ППМ.
В космических РСА используют зондирующие сигналы преимущественно с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) [7].
Для случая формирования ЛЧМ сигнала на выходе КМ, сигналы синфазного и квадратурного каналов с учетом выражений (8) и (9) записываются следующим
образом [9]:
Ii (t) = ET∙Kαi∙αi (t)∙sin(φi(t) + φKi + 2π ∙t2), (10)
Qi (t) = ET∙Kαi∙αi (t)∙cos(φi (t) + φKi + 2π ∙t2), (11)
b = , (12)
где Δf – девиация частоты; Тс – длительность ЛЧМ сигнала.
Широкое использование квадратурных модуляторов и синтезаторов частот СВЧ-диапазона в бортовой РЭА делает актуальным разработку и производство соответствующей ЭКБ отечественной электронной промышленностью для нужд ракетно-космической отрасли. Во второй части будут рассмотрены микросхемы российской разработки, предназначенные для использования в системах связи и радиолокации, рассмотренных выше.
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). № 7. 2018. 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.
Отзывы читателей
