OPERATING TEMPERATURE AND ITS INFLUENCE ON THE RADIATION OF PHASED ANTENNA ARRAYS

Full Text

Введение. Целесообразность построения того или иного вида передающего устройства во многом обу- словливается его энергетическими характеристиками. Как правило, подобное устройство, особенно в систе- мах с ограниченными источниками энергии, должно обеспечивать заданную излучаемую мощность при максимуме коэффициента полезного действия (КПД). Активные фазированные антенные решетки (АФАР) описываются в основном теми же параметрами, что и антенны других типов. Они также обладают диа- граммой направленности (ДН), уровнем боковых лепестков, коэффициентом направленного действия, коэффициентом усиления (КУ), излучаемой мощностью, диапазоном рабочих частот и другими величинами. Но, как правило, обычно используемый параметр - коэффициент усиления фактически непригоден для АФАР из-за наличия в схеме антенны активных элементов [1]. АФАР как передающее устройство не просто генерирует и излучает мощность в определенном направлении, но и максимально концентрирует ее в заданной части пространства, т. е. гарантирует максимум КУ [1]. В отличие от пассивных, активным фазированным антенным решеткам присущи дополнительные источ- ники погрешностей сигналов возбуждения излучате- лей за счет присутствия в каждом канале решетки активных модулей (АМ), характеристики которых в каждый момент времени различны из-за воздейст- вия дестабилизирующих факторов и непохожести их электрических параметров. Возникающие при этом искажения энергетического спектра ухудшают пара- метры радиоэлектронных комплексов и в первую оче- редь тех, где критериями качества генерируемых и излучаемых сигналов являются высокая степень Сегодня режимы работы АФАР, размещаемых на космических аппаратах как ближнего, так и дальнего космоса, в значительной степени зависят от режимов работы систем обеспечения теплового режима (СОТР), так как известно, что работа таких сложных систем, как АФАР, связана с необходимостью отвода значительных плотностей потоков теплоты при воз- действии внешних факторов космического простран- ства и собственных факторов работы устройств АФАР в режимах с высокими тепловыми нагрузками. Функционирование, надежность и управление ком- плектом электронных блоков (КЭБ) АФАР сущест- венно зависит от СОТР, которые позволяют решить задачу температурной стабилизации и управления режимами КЭБ. Однако сбои в работе СОТР могут привести к отказам передающих (или приемно- передающих) АМ КЭБ. Знание характеристик направ- ленности АФАР в таких сложных режимах работы с отказавшими АМ КЭБ позволит более эффективно управлять лучом при сканировании, заранее заложить компенсационные механизмы [3-5]. Электродинамический расчёт характеристик излу- чения АФАР дает возможность оценить изменение характеристик излучения АФАР при отказах каналов усиления, а также выявить влияние фазовых ошибок на характеристики излучения. Таким образом, в резуль- тате испытаний АФАР были получены эксперимен- тальные данные, сравнение с которыми результатов расчётов позволяет дополнительно оценить адекват- ность полученных теоретических результатов. Изменения характеристик АФАР, обусловленные отказами модулей, могут быть описаны статистиче- скими методами. Средняя ДН по мощности системы из N излучателей имеет вид 2 r r F (k , k0 ) = монохроматичности колебаний и низкий уровень по- бочного излучения. Все рассмотренные выше обстоя- N r r r 2 (1) тельства определяют основные отличия расчета характеристик АФАР от иных типов антенн [1; 2]. Важным условием при создании современных спутниковых систем на базе АФАР является конечная стоимость продукции. Способом решения такой про- = å In (1+ An ) ei (k - k0 , rn ) ei Fn , n=1 где k - волновой вектор, направленный в точку наблюдения; k0 - волновой вектор, направленный блемы является применение интенсивно развиваю- щейся теории численных методов, использование в точку фазирования системы; r 2 f (k ) - средняя ДН новых технологий проектирования и изготовления, а также устройств СВЧ, теплового обмена и несущей конструкции АФАР. При этом в классической поста- новке задача синтеза не дает ответа на вопрос о спо- собе реализации АФАР. Это вызывает необходимость постановки новых, практически значимых задач па- раметрического и конструктивного синтеза, которые и определят требуемые конечные характеристики АФАР. При этом АФАР представляет собой совокупность малых антенных систем с содержанием от нескольких десятков до нескольких сотен и даже тысяч активных модулей, которые с некоторой вероятностью могут выходить из строя [3]. В подобных условиях работы, тем более на орбите, когда нет возможности провести физическую замену отказавшего канала, необходимо четко представлять, к каким последствиям приведёт отказ одного, двух и даже 20 % каналов усиления. излучателя по мощности; r - вектор, задающий rn положение n-го излучателя; In - детерминированная часть амплитуды возбуждения n-го излучателя; Аn, Фn - случайные амплитудная и фазовая ошибки возбуждения n-го излучателя. Соотношение позволяет с помощью усреднения по ансамблю реализаций слу- чайных ДН АФАР найти зависимости ее параметров от параметров случайных амплитудно-фазовых оши- бок [6-8]. ( n n Если амплитудные и фазовые ошибки в каналах независимы и малы, т. е. имеют нулевые средние значения и малую дисперсию a = A2 + F2 ) << 1, а средние значения амплитуд одинаковы ( In = 1), то деградация параметров АФАР описывается приве- денными ниже приближенными соотношениями. Коэффициент усиления определяется соотношением Характерно, что деградация КУ зависит только G = G - DG » G e-a » G (1 - a ). (2) от a, а боковое излучение, вызванное случайными 0 0 0 Средняя погрешность установки максимума ДН dq, отнесенная к ширине ДН Dq05 по уровню половинной мощности (для случая квадратной решетки) выра- жается формулой ошибками, уменьшается с увеличением N. Так, мак- симальный уровень первого бокового лепестка решетки с прямоугольной апертурой, равный -13,2 дБ при отсутствии ошибок (a = 0), повышается при на- личии ошибки a = 0,3 до -8,8 дБ в решетке с N = 200 dq / Dq05 » 0, 3 a / N . (3) и только до -12,7 дБ в решетке с N = 20000. Для тех же параметров относительная погрешность установки б б0 Распределение уровня боковых лепестков ДН под- чиняется обобщенному релеевскому закону. Средний уровень боковых лепестков ДН описывается соотно- шением f 2 = f 2 + a p / N , (4) максимума ДН составляет примерно 1 % от ширины луча при N = 200 и только 0,1 % при N = 20000. Соотношения (2)-(4) могут быть использованы и для оценки влияния выхода модулей из строя на характеристики АФАР [11]. В статистической теории антенных решеток покагде 2 - относительное значение какого-либо бокового зано, что выход из строя n случайно расположенных элементов в решетке из N элементов можно считать f б0 лепестка по мощности при отсутствии амплитудно- эквивалентным действию равномерно распределенных f б фазовых ошибок, 2 - среднее значение того же лепестка при наличии ошибок. В отдельной реализации уровень бокового лепестка может быть и больше. С вероятностью, практически равной единице, макси- мальный уровень бокового излучения не превосходит по всем элементам решетки случайных амплитудно- фазовых ошибок с дисперсией a = n/N [12]. Выражая долю вышедших из строя элементов как функцию интенсивности отказов, получим: a = a (t) = n(t) / N = 1- e-lt » l t = t / T0. (7) величины f1 = fб0 + 3 a p / 2N . (5) Следует иметь в виду, что выход из строя модулей передающей АФАР приводит не только к ухудшению коэффициента усиления и диаграммы направленно- В 80 % реализаций уровень бокового лепестка не превышает величины сти, но и к снижению излучаемой мощности, поэтому потенциал передающей АФАР при n << N описыf2 = fб0 + a p / 2N . (6) вается следующим соотношением: Для оценки уровня первого бокового лепестка АФАР с квадратной апертурой при равноамплитуд- ном возбуждении излучателей в формулах следует П = PG = П0 (1- a)e-a » 0 0 0 » П (1- a)2 = П (1- t / T )2 . принять fб0 = 0,217. Наработка до отказа Т0 современных транзистор- ных передающих модулей АФАР Х-диапазона дохо- На рисунке приведены зависимости DG и f 2 , f 2, дит до 100 000 ч (более 11 лет). Приемные модули, б 1 выполненные по гибридной технологии, имеют нара- 2 f 2 для первого бокового лепестка от величины дис- персии a и числа излучателей N [9; 10]. ботку в 2-3 раза больше, а приемные модули на инте- гральных схемах СВЧ могут иметь Т0 > 1 000 000 ч, т. е. на порядок больше. -f 2, дБ -DG, дБ -f 2, дБ -DG, дБ 12 12 10 10 8 8 2 f б 2,0 f 2 2 f 1,5 2 1 1,0 DG 6 0 0,1 0,2 a 6 0,5 0 0,1 0,2 a а б Зависимости характеристик АФАР от дисперсии амплитудно-фазовых ошибок a и числа излучателей: а - для N = 50; б - для N = 200 Dependence of the characteristics of active phased antenna arrays on the dispersion of the amplitude-phase errors a and the number of radiators: a - for N = 50; b - for N = 200 Из соотношений (7), (8) следует, что передающая АФАР, имеющая N = 20 000 модулей с Т0 = 100 000 ч, за один год работы без ремонта (около 8600 ч) пре- терпит следующие изменения параметров: снижение КУ и эффективной площади апертуры - примерно 0,4 дБ, уменьшение потенциала - примерно 0,8 дБ, максимальный рост первого бокового лепестка - не более 0,3 дБ, максимальная погрешность установки луча - примерно 0,2 % (здесь не учтена погрешность установки, связанная с дискретностью фазовращателей и погрешностями калибровки каналов решетки) [14]. Приведенные параметры достижимы при условии, что правильно выбран тепловой режим работы мощ- ных транзисторов. Это обеспечивается за счет органи- зации оптимального режима их работы на понижен- ном уровне мощности, рационального выбора мате- риалов корпуса и его конструкции, обеспечивающей максимальный отвод тепла от кристаллов, достаточ- ного расхода охлаждающего воздуха или жидкости в системе охлаждения. Практически, модули, находящиеся у краев апер- туры, за счет теплопередачи в окружающую среду имеют более низкую температуру, чем модули, рас- положенные в центральной части. Например, в лите- ратуре приведены результаты испытаний 17-элементной активной решетки c воздушным охлаждением [13-15]. Потребляемая от источника мощность постоянного тока в каждом канале составляет 9 Вт. В отсутствие принудительного охлаждения центральные элементы решетки имеют температуру примерно 100 °С, край- ние - 60 °С. При включенном принудительном обдуве эти температуры составляют 40 и 20 °С соответственно. Заключение. Таким образом, повышенная темпе- ратура в центральной части апертуры приводит к более высокой интенсивности отказов. Это, в свою очередь, приводит к более высокому росту бокового излучения. Для более точного описания характеристик АФАР необходимо создание модели ее надежности. Такая модель должна учитывать энергетические параметры модулей и их элементов, зависимость КПД (и, следо- вательно, рабочей температуры) от уровня выходной мощности, зависимость температуры от конструктив- ных параметров системы охлаждения, упомянутую выше зависимость наработки на отказ от температу- ры, более точное описание интенсивности отказов модулей на основе анализа интенсивности отказов их элементов.

About the authors

I. N. Kartsan

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: kartsan2003@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

S. V. Efremova

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E. A. Shangina

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

A. I. Logacheva

Headquarters of material and technical support of the Armed Forces of the Russian Federation

6, Bolshoy Kozlovsky lane, Moscow, 119160, Russian Federation

Y. S. Gorev

Military Unit Office 40056

26а, Onezhskaya Str., Moscow, 125413, Russian Federation

References

Supplementary files