INCREASE RELIABILITY OF ULTRAHIGH-FREQUENCY CHANNELS OF THE ACTIVE PHASED ARRAY ANTENNA MODULES

Толық мәтін

Введение. Отказ СВЧ-каналов активной фазиро- ванной антенной решетки (АФАР) приводит к уменьшению её коэффициента усиления и увеличе- нию уровня боковых лепестков. При этом следует иметь в виду, что для АФАР снижение величины ее энергетического потенциала на передачу и на прием зависит только от числа отказавших СВЧ-каналов и мало зависит от их расположения в апертуре антенны. При равноамплитудном возбуждении СВЧ-каналов расположение вышедших из строя СВЧ-каналов по раскрыву вообще не сказывается на значении умень- шения PG антенны. Совсем иная картина происходит с изменением уровня боковых лепестков. Чем боль- шее число отказавших СВЧ-каналов собрано в группы с заметным числом СВЧ-каналов, тем больше меняет- ся форма диаграммы направленности (ДН) в области боковых лепестков. В роли таких групп могут высту- пать многоканальные модули, претерпевшие катаст- рофический отказ. Причинами таких отказов могут быть источники питания или ячейки управления, обслуживающие модуль в целом [1; 2]. При рассмотрении влияния отказов СВЧ-каналов на ДН АФАР следует иметь в виду следующие об- стоятельства. Внутри СВЧ-канала модуля передаю- щая и приемная части практически независимы друг от друга. Это означает, что распределения по раскры- ву отказавших приемных и передающих СВЧ-каналов разные. В силу этого будут разными и их ДН, в осо- бенности в области боковых лепестков. Угловые положения увеличившихся по уровню боковых лепе- стков будут отличаться. Это означает, что ДН АФАР в радиолокационном режиме (как произведение ДН для передающего режима и ДН для приемного режи- ма) в подавляющем числе реализаций будут иметь меньшие ухудшения уровня боковых лепестков, чем каждый из СВЧ-каналов в отдельности. От выбора схемы многоканального модуля и АФАР в целом существенно зависят их показатели надежности, следовательно, и эксплуатационные рас- ходы. На этапе проектирования возможна оптимиза- ция соотношения начальной стоимости аппаратуры и стоимости ее эксплуатации (зависящей от надежно- стных характеристик), которые обеспечат минималь- ную стоимость эксплуатации радиосистемы [3-5]. Надежностные характеристики АФАР. Рас- смотрим пример влияния схемных решений модулей и надежности их функциональных узлов на надежно- стные характеристики АФАР в целом. В качестве объекта исследования выберем АФАР, включающую в себя 10 000 СВЧ-каналов, сгруппированных в мно- гоканальный модуль (МКМ) с различным числом ин- тегрируемых СВЧ-каналов. Архитектура решетки показана на рис. 1. Выше уже отмечалось, что отказы СВЧ-каналов влияют как на энергетические характеристики, так и на уровень боковых лепестков ДН. Оценки показывают, что влияние отказов СВЧ-каналов на уровень боковых лепестков более критично, чем на изменение энергетических характеристик. Рис. 1. Надежностная схема АФАР: МКМ - многоканальный модуль; ППК - приемо- передающий канал; ППКУ - приемо-передающий канальный усилитель; ЯУ - ячейка управления; ИП - источник питания Fig. 1. Reliability scheme: multichannel module; a receiving-transmitting channel; a receiving-transmitting channel amplifier; control cell; power supply Будем считать критериями отказа АФАР измене- ние ее энергетических параметров на -1 дБ либо из- менение уровня максимальных боковых лепестков на +3 дБ или +6 дБ. Известно, что снижение величины PG на -1 дБ происходит при отказе около 10 % СВЧ-каналов. Увеличение уровня максимальных бо- ковых лепестков на +3 дБ и +6 дБ происходит при отказе меньшего числа СВЧ-каналов [6-10]. Приня- тые для исследований значения среднего времени на отказ приведены в табл. 1. В решетку с количеством элементов 10 000 входят 10 000 приемо-передающих каналов (ППК). Если ис- пользовать 8-канальные модули, то в решетку входит 1250 ячеек управления (ЯУ), 1250 источников пита- ния (ИП), 1250 канальных усилителей модулей (ППКУ). При указанных в табл. 1 значениях среднего времени наработки на отказ каждые 10 часов отказы- вает один ППК, каждые 80 часов - одна ЯУ, каждые 160 часов - один ППКУ, каждые 40 часов - один ИП. В табл. 2 приведено допустимое количество отка- завших модулей при разрешенных увеличениях максимальных боковых лепестков на 3 и 6 дБ. Расчеты выполнены для АФАР, состоящих из 1-, 2-, 4- и 8- канальных модулей. Соответствующие графики представлены на рис. 2. Из приведенных результатов можно сделать следующие выводы. В многоканальных модулях возмо- жен отказ всех входящих в модуль СВЧ-каналов при отказе общих для них элементов - узла управления, усилителя-возбудителя и источника питания. При отказах таких элементов допустимая деградация ха- рактеристик ДН наступает при значительно меньших количествах отказавших СВЧ-каналов, чем при ис- пользовании одноканальных модулей. Это означает, что надежностные характеристики АФАР тем хуже, чем больше СВЧ-каналов в модуле [11-13]. Иллюст- рацией этому является табл. 3, в которой приводятся расчетные величины среднего времени наработки на отказ (СВНО) АФАР при различных сценариях отка- зов элементов, входящих в модули. Расчеты приведены для 8-канального модуля. В качестве критерия отказа АФАР при расчетах, результаты которых приведены в табл. 3, выбрано увеличение уровня максимальных боковых лепестков на +3 дБ. Подчеркнем, что выбранный критерий мо- жет оказаться чрезмерно «суровым» и неоправдан- ным. Аналогичные расчеты могут быть проведены для других критериев отказа АФАР. В графе 6 табл. 3 приводятся значения СВНО АФАР, обусловленные отказами только одного типа элементов, входящих в модули. В графе 7 приводятся значения СВНО АФАР, обусловленные совместным влиянием отказов элементов модуля. Из табл. 3 вид- но, что при естественном процессе функционирова- ния АФАР одновременно случающиеся отказы всех типов элементов в соответствии с присущими им зна- чениями СВНО приводят к тому, что при рассматри- ваемой архитектуре АФАР ее надежностные характе- ристики катастрофически деградируют [14]. Очевидным путем улучшения надежностных ха- рактеристик АФАР является переход к одноканаль- ным модулям, включающим в себя весь набор функ- циональных элементов. В табл. 4 приведены резуль- таты расчета СВНО АФАР из одноканальных моду- лей, содержащих все функциональные элементы. Критерий отказа АФАР - увеличение УБЛ на +3 дБ. Как видно из графы 7 табл. 4, АФАР из однока- нальных модулей имеет существенно лучшие надеж- ностные характеристики, чем АФАР из 8-канальных модулей (СВНО больше в 7,6 раза!). Это приводит к снижению стоимости эксплуатационных расходов. Вместе с тем, стоимость набора одноканальных моду- лей выше стоимости набора восьмиканальных моду- лей. Баланс полных стоимостей жизни двух вариантов АФАР может быть выведен в результате анализа стоимостных характеристик конкретной АФАР. Можно рассматривать другие схемы АФАР, имеющие более высокое значение их СВНО. Показа- на архитектура АФАР, в которой применены источ- ники питания с резервированием и канальные усили- тели с резервированием, имеющие существенно более высокую надежность, чем устройства без резервиро- вания (рис. 3). Таблица 1 Значения среднего времени на отказ Наименование функционального элемента Среднее время наработки на отказ (СВНО), ч Приемо-передающий канал 100 000 Ячейка управления 100 000 Приемо-передающий канальный усилитель 200 000 Источник питания 50 000 Допустимое количество отказавших модулей при разрешенных увеличениях максимальных боковых лепестков Таблица 2 Число СВЧ-каналов в модуле Увеличение уровня боковых лепестков (УБЛ) на 3дБ Увеличение уровня боковых лепестков на 6дБ 1 320 650 2 180 410 4 100 210 8 55 110 Расчетные величины среднего времени наработки на отказ АФАР при различных сценариях отказов элементов, входящих в модули Таблица 3 Элемент модуля Количество СВНО, ч Интервал отказов, ч Допустимое количество отказов СВНО АФАР, ч Аккумулированное СВНО АФАР, ч 1 2 3 4 5 6 7 ППК 10 000 100 000 10 320 3200 3200 ЯУ 1250 50 000 40 7 280 257 ППКУ 1250 200 000 160 7 1120 209 ИП 1250 50 000 40 7 280 120 а б Рис. 2. Графики: а - зависимости увеличения УБЛ от количества отказавших элементов для 1-, 2-, 4- и 8-канальных модулей; б - зависимости допустимого количества отказавших элементов от числа СВЧ-каналов в модуле Fig. 2. Dependence: a - of the increase in level of side lobes on the number of failed elements for 1, 2, 4 and 8 channel modules; b - the dependence of the permissible number of failed elements on the number of microwave channels in the module Таблица 4 Результаты расчета СВНО АФАР Элемент модуля Количество СВНО, ч Интервал отказов, ч Допустимое количество отказов СВНО АФАР, ч Аккумулированное СВНО АФАР, ч 1 2 3 4 5 6 7 ППК 10 000 100 000 10 320 3200 3200 ЯУ 10 000 100 000 10 320 3200 1600 ППКУ 10 000 200 000 20 320 6400 1280 ИП 10 000 100 000 10 320 3200 914 Таблица 5 Результаты расчета СВНО АФАР с выбором в качестве критерия отказа увеличение УБЛ Элемент модуля Количество СВНО, ч Интервал отказов, ч Допустимое количество отказов СВНО АФАР, ч Аккумулированное СВНО АФАР, ч 1 2 3 4 5 6 7 ППК 10 000 100 000 10 650 6500 6500 ЯУ 10 000 100 000 10 650 6500 3250 Рис. 3. Структурная схема АФАР с повышенной надежностью: КУ - канальный усилитель; РВ - резервированный усилитель; ИП - источник питания; РИП - резервированный источник питания; МКМ - многоканальный модуль; ЯУ - ячейка управления; ППК - приемо-передающий канал Fig. 3. Structural diagram of APAA with increased reliability: channel amplifier; the reserved amplifier; power supply; redundant power supply; multichannel module; control cell; a transceiver channel Результаты расчета СВНО такой АФАР с выбором в качестве критерия отказа увеличение УБЛ на +6 дБ приведены в табл. 5. Из графы 7 табл. 5 видно, что изменения струк- турной схемы и некоторое смягчение критерия отказа АФАР приводят к дальнейшему увеличению СВНО АФАР в 3,5 раза. К тому же при такой архитектуре АФАР на уровень боковых лепестков ДН в радиоло- кационном режиме будет положительно влиять раз- личие в статистике отказов передающих и приемных СВЧ-каналов модулей. Изложенное показывает, что такие важные харак- теристики АФАР, как их начальная стоимость, стои- мость эксплуатации в пределах назначенного срока службы, определяются критериями ее параметриче- ских отказов. Приведенные выше результаты исследований справедливы для случаев полного (катастрофическо- го) отказа модулей или их отдельных СВЧ-каналов. На практике наряду с такими отказами имеют ме- сто параметрические отказы - снижение коэффициен- тов усиления в передающем и приемном СВЧ- каналах, «залипание» отдельных разрядов фазовраща- телей или аттенюаторов и т. д. Такие отказы влияют на изменение ДН несколько меньше. Приведенные выше расчеты надежности сделаны в предположении, что аппаратура АФАР не ремонти- руется за время эксплуатации. Во многих радиосис- темах с АФАР, которые обслуживаются и в которых вышедшие из строя блоки и модули заменяются при регламентных работах, показатели надежности суще- ственно выше приведенных. Уместно сделать следующее замечание. Если из- вестны признаки отказов в СВЧ-каналах модулей (их координаты в раскрыве АФАР, характер отказов), то чисто программными средствами может быть час- тично осуществлена операция уменьшения уровня всплесков боковых лепестков, вызванных физической деградацией СВЧ-каналов [15]. Очевидно, что при выполнении такой операции произойдет дополни- тельное ухудшение направленных свойств АФАР. Но выше уже отмечалось, что именно уровень боковых лепестков является более чувствительным парамет- ром по отношению к изменению амплитудно-фазовых распределений в раскрыве АФАР. Заключение. Таким образом, наличие в составе АФАР достоверной системы контроля реального со- стояния СВЧ-каналов модулей в сочетании с возмож- ностями специализированных программных средств управления коэффициентами передачи СВЧ-каналов позволяет снизить влияние отказов на УБЛ и сущест- венно улучшить показатели надежности АФАР за счет повышения среднего времени наработки на отказ. Реализация такого приема является допол- нительным средством повышения экономической эффективности АФАР путем усовершенствования ее архитектуры.

Авторлар туралы

I. Kartsan

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

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

E. Shangina

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

Email: kati6230@yandex.ru
52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

G. Kiselev

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian FederationHeadquarters of the Strategic Missile Force

10, Marshal Zhukov Str., vil. Vlasikha, dist. Odintsovo, Moscow region, 143010, Russian Federation

S. Efremova

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

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

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар