Исследование влияния рабочей температуры на характеристики излучения активных фазированных антенных решеток

Введение. Целесообразность построения того или иного вида передающего устройства во многом обусловливается его энергетическими характеристиками. Как правило, подобное устройство, особенно в системах 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 диаграммой 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 источники погрешностей сигналов возбуждения излучателей за счет присутствия в каждом канале решетки активных модулей (АМ), характеристики которых в каждый момент времени различны из-за воздействия дестабилизирующих факторов и непохожести их электрических параметров. Возникающие при этом искажения энергетического спектра ухудшают параметры радиоэлектронных комплексов и в первую очередь тех, где критериями качества генерируемых и излучаемых сигналов являются высокая степень монохроматичности колебаний и низкий уровень побочного излучения. Все рассмотренные выше обстоятельства 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 проблемы является применение интенсивно развивающейся теории численных методов, использование новых технологий проектирования и изготовления, а также устройств СВЧ, теплового обмена и несущей конструкции АФАР. При этом в классической постановке задача синтеза не дает ответа на вопрос о способе реализации АФАР. Это вызывает необходимость постановки новых, практически значимых задач параметрического 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.

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 воздействии внешних факторов космического пространства и собственных факторов работы устройств АФАР в режимах с высокими тепловыми нагрузками. Функционирование, надежность и управление комплектом электронных блоков (КЭБ) АФАР существенно зависит от СОТР, которые позволяют решить задачу температурной стабилизации и управления режимами КЭБ. Однако сбои в работе СОТР могут привести к отказам передающих (или приемнопередающих) АМ КЭБ. Знание характеристик направленности 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 излучения АФАР дает возможность оценить изменение характеристик излучения АФАР при отказах каналов усиления, а также выявить влияние фазовых ошибок на характеристики излучения. Таким образом, в результате испытаний АФАР были получены экспериментальные данные, сравнение с которыми результатов расчётов позволяет дополнительно оценить адекватность полученных теоретических результатов.

Изменения характеристик АФАР, обусловленные отказами модулей, могут быть описаны статистическими методами. Средняя ДН по мощности системы из N излучателей имеет вид

| f ( К k — ,)|² =

^^                               — —

= | f ( k )|² S I n (1 + A n ) e^Kk - k « ,r n ) e"⁶

2 (1)

,

n = 1

k – волновой вектор, направленный в точку

—

где

наблюдения; k ₀ – волновой вектор, направленный в точку фазирования системы; | / ( k )| - средняя ДН излучателя по мощности; r_n - вектор, задающий положение n- го излучателя; I_n – детерминированная часть амплитуды возбуждения n- го излучателя; Аn , Ф n – случайные амплитудная и фазовая ошибки возбуждения n- го излучателя. Соотношение позволяет с помощью усреднения по ансамблю реализаций случайных ДН АФАР найти зависимости ее параметров от параметров случайных амплитудно-фазовых ошибок [6–8].

Если амплитудные и фазовые ошибки в каналах независимы и малы, т. е. имеют нулевые средние значения и малую дисперсию а = ( A 2 + Ф 2 ) << 1, а средние значения амплитуд одинаковы ( I_n = 1), то деградация параметров АФАР описывается приведенными ниже приближенными соотношениями.

Коэффициент усиления определяется соотношением G = G ₀ -∆ G ≈ G ₀ e ^-α ≈ G ₀(1 -α ). (2)

Средняя погрешность установки максимума ДН δθ , отнесенная к ширине ДН Δθ 05 по уровню половинной мощности (для случая квадратной решетки) выражается формулой

δθ / Δθ ₀₅ ≈ 0,3 J α / N . (3)

Распределение уровня боковых лепестков ДН подчиняется обобщенному релеевскому закону. Средний уровень боковых лепестков ДН описывается соотношением fб2 = fб20 +απ/N, (4) где fб20 – относительное значение какого-либо бокового лепестка по мощности при отсутствии амплитуднофазовых ошибок, fб2 – среднее значение того же лепестка при наличии ошибок. В отдельной реализации уровень бокового лепестка может быть и больше. С вероятностью, практически равной единице, максимальный уровень бокового излучения не превосходит величины f1 =fб0 +3απ/2N. (5)

В 80 % реализаций уровень бокового лепестка не превышает величины f2 =fб0 + απ/2N. (6)

Для оценки уровня первого бокового лепестка АФАР с квадратной апертурой при равноамплитудном возбуждении излучателей в формулах следует принять f _б0 = 0,217.

На рисунке приведены зависимости Δ G и f _б² , f 1 ², f 2 ² для первого бокового лепестка от величины дисперсии α и числа излучателей N [9; 10].

Характерно, что деградация КУ зависит только от α , а боковое излучение, вызванное случайными ошибками, уменьшается с увеличением N . Так, максимальный уровень первого бокового лепестка решетки с прямоугольной апертурой, равный –13,2 дБ при отсутствии ошибок ( α = 0), повышается при наличии ошибки α = 0,3 до –8,8 дБ в решетке с N = 200 и только до –12,7 дБ в решетке с N = 20000. Для тех же параметров относительная погрешность установки 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 показано, что выход из строя n случайно расположенных элементов в решетке из N элементов можно считать эквивалентным действию равномерно распределенных по всем элементам решетки случайных амплитуднофазовых ошибок с дисперсией α = n / N [12]. Выражая долю вышедших из строя элементов как функцию интенсивности отказов, получим:

α=α ( t ) = n ( t )/ N = 1 - e ^-λ t ≈λ t = t / T 0 . (7)

Следует иметь в виду, что выход из строя модулей передающей АФАР приводит не только к ухудшению коэффициента усиления и диаграммы направленности, но и к снижению излучаемой мощности, поэтому потенциал передающей АФАР при n << N описывается следующим соотношением:

П = PG = П₀(1 -α ) e ^-α ≈ ≈ П 0 (1 -α )² = П 0 ( 1 - t / T 0 ) ².

Наработка до отказа Т ₀ современных транзисторных передающих модулей АФАР Х-диапазона доходит до 100 000 ч (более 11 лет). Приемные модули, выполненные по гибридной технологии, имеют наработку в 2–3 раза больше, а приемные модули на интегральных схемах СВЧ могут иметь Т 0 > 1 000 000 ч, т. е. на порядок больше.

Зависимости характеристик АФАР от дисперсии амплитудно-фазовых ошибок α 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 α 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 Т 0 = 100 000 ч, за один год работы без ремонта (около 8600 ч) претерпит 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 мощных транзисторов. Это обеспечивается за счет организации оптимального режима их работы на пониженном уровне мощности, рационального выбора материалов корпуса и его конструкции, обеспечивающей максимальный отвод тепла от кристаллов, достаточного расхода охлаждающего воздуха или жидкости в системе охлаждения.

Практически, модули, находящиеся у краев апертуры, за счет теплопередачи в окружающую среду имеют более низкую температуру, чем модули, расположенные в центральной части. Например, в литературе 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, крайние - 60 ° С. При включенном принудительном обдуве эти температуры составляют 40 и 20 ° С соответственно.

Заключение. Таким образом, повышенная температура 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, следовательно, рабочей температуры) от уровня выходной мощности, зависимость температуры от конструктивных параметров системы охлаждения, упомянутую выше зависимость наработки на отказ от температуры, более точное описание интенсивности отказов модулей на основе анализа интенсивности отказов их элементов.

Acknowledgments . This work was supported by a project of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (agreement No. 14.577.21.0220, unique project identifier RFMEFI57716X0220).