Як УПЧ в приймальнику використаний підсилювач на НЕМТ [4] з центральною частотою діапазону ПЧ 1,5 ГГц. Застосування в першому каскаді УПЧ псевдоморфного НЕМТ (ATF 34143) з високим значенням оптимального декремента джерела дозволило реалізувати низькі шуми підсилювача в широкій смузі частот (1 н-2 ГГц). Так, у цій смузі частот шумова температура УПЧ при кімнатній температурі,-40С і 20К становить 30 К, 15 К і менше 5 К відповідно. Для збереження стійкості підсилювача при безвентильний з’єднанні (ППЧ і змішувач складають моноблочну конструкцію) в УПЧ використаний метод безпосереднього каскадування [5].

Вхідний тракт приймача, що представляє собою майже гладкий рупор з кутом 20 = 9 °, виконаний з трьох секцій. Перша секція пірамідальний перехід з перетину 2,4 ммх1, 2 мм на 11 ммх5, 5 мм,-виготовлена ​​з міді методом гальванопластики. Друга секція, виготовлена ​​з нержавіючої сталі (товщина стінки 0,2 мм), виконує функції трансформатора перетинів з прямокутного на кругле і теплової розв’язки. Внутрішня поверхня цієї секції електрохімічно відполірована. На її вихідному кінці (017мм) розташоване вакуумне ущільнення з лавсановій плівки товщиною 20 мкм. Теплопритоків при довжині 40 мм в криогенному варіанті приймача не перевищує 0,5 Вт Третя секція являє собою усічений конус, виготовлений з міді, внутрішня поверхня якого також електрохімічно відполірована. Цей конус забезпечує формування діаграми спрямованості ~ 5 °, що цілком прийнятно при експлуатації приймача.

Втрати у вхідному тракті вимірювалися в діапазоні 85-115 ГГц як на монохроматичному сигналі, так і радіометричним методом. При кімнатній температурі втрати в ньому становлять 0,15 ± 0,05 дБ, а при охолодженні першої секції до 20 КНЄ більше

0, 1 дБ у всьому діапазоні робочих частот.

Як гетеродина в описуваному приймальнику використаний синтезатор частоти з ЛОВ ОВ-71. Сигнал гетеродина підводився до змішувача через діплексеров з високодобротних резонатором, фільтруючим шуми ЛОВ.

[1] S. A. Peskovatskii, V.M. Shulga, V.l. Piddiachii,

A.       M.Koroliov, V.V. Myshenko, A.V. Antuyfeyev, I.V.Lavrik,

“A Cryogenic 3mm Schottky diode mixer receiver”, MSMW

2001 Symposium Proceedings. Kharkov, Ukraine, June 4-9,

2001,      vol. 2, pp. 741-744.

[2]  V. I. Piddiachii, S. A. Peskovatskii, “A Broad-Band LowNoise Schottky Diode Full-Height Waveguide Mixer from 80 to 115 GHz”, Int. J. Infrared Millimeter Waves, vol. 24, no. 1, pp. 44-54, 2003.

[3] C. R. Predmore, A. V. Raisanen, N. R. Erickson, P. E. Goldsmith, and J. L. R. Marrero, “A broad-band, ultra-low-noise Schottky diode mixer receiver from 80 to 115 GHz”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. MTT-32, pp. 498-507, May 1984.

[47А. М. Корольов, В. М. Шульга. Режим наднизьких шумів в широкосмуговому неохолоджуваному підсилювачі на РНЕМТ в дециметровому діапазоні. Радіофізика і радіоастрономія. 2003, т. 8, № 1, с. 21-27.

[5] А. М. Корольов, Підвищення стійкості малошумящих підсилювачів на НЕМТ. Радіофізика і радіоастрономія. 2003, т. 8, № 3, с. 233-238.

fLo, GHz

Рис. Залежність DSB-шумової температури приймача TrDSB від частоти гетеродина fro

Fig. DSB receiver noise temperatures TrDSB vs. LO frequency fro

Охолодження приймача до -40 С здійснювалося Пельтье-охолоджувачем, а до 20 К за допомогою холодильної машини замкнутого циклу.

Шумові характеристики розробленого приймача були досліджені добре відомим Yметодом: підключенням на вхід приймальної системи узгодженої навантаження при кімнатній температурі і температурі рідкого азоту.

На малюнку представлені залежності DSB шумової температури приймача від частоти гетеродина, виміряні при кімнатній температурі, -40 С і 20 К на проміжній частоті 1,5 ГГц. Як видно з малюнка, мінімальні значення шумової температури приймача при кімнатній температурі і -40 С реалізовані в центрі робочої смуги частот і на 98 ГГц становлять 245 К і 180 К відповідно. Ці варіанти приймача можуть бути успішно використані в складі різних малогабаритних мобільних приймальних систем Змм діапазону. Зокрема нами планується використовувати їх для досліджень атмосферного озону. Шумова температура кріогенної охолоджуваного варіанту (20 К) приймача, як видно з малюнка, не перевищує 100 К в діапазоні частот від

85   до 115 ГГц з мінімумом в 55 К на частотах від 97 до 110 ГГц. Цей варіант приймача розроблений спеціально для установки на радіотелескоп РТ-22 Кримської астрофізичної обсерваторії.

III. Висновок

Оптимізація електродинамічної системи змішувача і вузла сполучення з ППЧ під використані високодобротні ДБШ дозволила реалізувати низькі значення втрат перетворення власне нелінійного елемента (<1,5 дБ). Це дало можливість, застосувавши в приймальнику як УПЧ сверхмалошумящій підсилювач на псевдоморфного НЕМТ і вхідний тракт з низьким загасанням, розробити приймальню систему Змм діапазону з рекордними для даного типу пристроїв шумовими характеристиками.

ULTRA-LOW-NOISE SCHOTTKY DIODE MIXER RECEIVER FROM 85 TO 115 GHz

V. M. Shulga, V. I. Piddiachii, A. M. Korolev,

V. V. Myshenko, A. V. Myshenko Institute of Radio Astronomy NAS of Ukraine

4,     Chervonopraporna St., Kharkiv 61002, Ukraine Phone (0572)-448-330, E-mail: shulga@rian.kharkov.ua

Abstract The ultra-low-noise 3mm wave Schottky diode mixer receiver is described. Noise performances of the receiver have been investigated at standard environment -40 С and 20 K. DSB receiver noise temperatures, measured at these temperatures are 245 K, 180 К and 55 До accordingly. These values ​​are the best ever obtained with Schottky diodes in the 3mm wave band.

I. Introduction

Schottky diode mixer receivers are efficient in a wide interval of ambient temperatures from the normal up to cryogenic with substantial improvement of the noise performances at cooling. Due to this fact they are applied in different fields of science and technology. Now Schottky diode mixer receivers are the single receiver systems for frequencies higher than 1 THz.

In the present paper the 3mm Schottky diode mixer receiver with record sensitivity at standard environment, -40 С and 20 К is described.

II. Main part

The receiver includes input section, mixer unit, IF amplifier and handling part [1]. The Schottky diode mixer is a basic element determining noise performances of the receiver. Detailed description of the produced units is presented in [2]. It is necessary to note, that in the present paper the design of the mixer unit with partial reduction of a working waveguide height (in 2 times) has been used in order to advance the frequencies higher than 110 GHz. Other important difference of the designed mixer unit is the application of Schottky diode with high value of a cut-off frequency (4 TGz). It has allowed to obtain low conversion losses of the mixer (DSB losses on a nonlinear element, including parasitic losses, do not exceed 1,5 dB).

Ultra-low-noise L-band PHEMT amplifier, similar to that described earlier [4], was used as IF-preamplifier (G=27dB). It was integrated with the mixer on a common housing without an isolator. Thus, in order to provide stability, which would be enough for operation in this case, an interstage network was specially designed in direct-coupling manner [5].

The receiver input conical horn consists of three sections. Middle section is made of stainless steel. Its wall thickness is less than 0.2 mm. It is used as termoisolator. The vacuum window is 17 mm in diameter and is made of 20 |jm Mylar sheet placed between horn’s section. Oher sections are made of cooper. All sections were polished electrochemically.

The horn losses were measured using both usual and radiometer methods within the frequency band 85… 115 GHz. The horn losses were 0.15±0.05dB at room ambient. In cryogenic regime of the receiver (to 20K) the horn losses were less than

0.1db.

As it is shown in Fig.1 the DSB receiver noise temperature, measured at standard environment, -40 С and 20 К on the intermediate frequency 1,5 GHz are 245K, 180K and 55K accordingly in the best case.

III. Conclusion

Optimization of electrodynamics of the mixer for Schottky diode with high value of a cut-off frequency and the use ultralow-noise IF amplifier has allowed to implement 3mm-receiver system with the best noise temperature, which has been ever obtained with Schottky diodes.

10 ватний 4 Канальні ппм афар XДІАПАЗОНА ЧАСТОТ ДЛЯ БОРТОВИХ РЛС

Бутерін А. В., Добреньков В. Н., Ковальчук А. Г., Козлов А. Г., Посадський В. Н., Пряжников Д. А., Семенов Е. А, Сергєєв В. А.

ЗАТ «НВЦ« Алмаз-Фазотрон », вул. Панфілова, 1, Саратов, 410033, Росія тел. (8452) 37-29-33, email: almazteboverta.ru


Анотація Наводяться основні результати розробки потужного багатоканального групового ППМ бортових АФАРСЬКА на монолітною елементній базі. На основі аналізу результатів визначаються основні завдання створення ППМ, що відповідають сучасним концепціям розвитку авіоніки.

I. Вступ

Ідея використання активної фазованою антенної решітки (АФАРСЬКА) в системах радіолокації була висунута ще в початку минулого століття. Тим не менше, її практична реалізація розтягнулася на багато десятиліть. У першу чергу це було пов’язано з відсутністю елементної бази і технологій, необхідних для створення приймально-передавального модуля (ППМ) основного елемента, що реалізує сам принцип роботи АФАРСЬКА. У міру розвитку твердотільної НВЧ електроніки, створення нових матеріалів і технологій АФАРСЬКА стали знаходити застосування в наземно-космічних комплексах раннього виявлення, системах глобальної супутникової зв’язку, радіоастрономії. Однак до теперішнього часу в світі не існує жодного серійно випускається літака, оснащеного РЛС з АФАРСЬКА. Це пов’язано зі специфікою вимог, що пред’являються до АФАРСЬКА літакових бортових РЛС: малі габарити і маса, жорсткі режими експлуатації, висока надійність і т. д. Обмеженість апертури антеною решітки вимагає створення ППМ з високими енергетичними характеристиками.

Системи радіовооруженія на основі пасивних ФАР, що використовуються в сучасній авіації, вже не можуть повною мірою забезпечити вирішення поставлених завдань виявлення і супроводу цілей, управління зброєю, радіопротидії, забезпечення скритності літака, навігації, управління польотом. Тому, безумовно, основою РЛС літаків нового покоління стане активна ФАР [1-3]. В даний час ведуться широкомасштабні розробки АФАРСЬКА авіаційних бортових РЛС. Основою для створення ППМ є GaAs МІС з високим ступенем інтеграції і багатофункціональні МІС, що об’єднують на одному кристалі функції підсилення, цифрового управління амплітудою і фазою сигналів. Важливим кроком до практичної реалізації бортовий АФАРСЬКА буде впровадження нових групових технологій розведення і корпусування із застосуванням багатошарових LTCC керамічних структур [4] і кремнієвих пластин [5], що дозволить значно збільшити щільність упаковки елементів, істотно зменшити габарити, масу і вартість ППМ, підвищити технологічність виробництва, збільшити довговічність і надійність АФАРСЬКА

Даний доповідь присвячена розробці ескізної конструкції багатоканального групового ППМ для бортових літакових АФАРСЬКА на основі високоінтегрованих і багатофункціональних МІС. У модулі використані комерційно доступні МІС, виготовлені за MSAG ® технології, яка спеціально розроблена для масового виробництво дешевих і високонадійних МІС СВЧ діапазону [6,

7]. У пристрої управління (УУ) застосовуються ІС з програмованою логікою і мікроконтроллер.

Метою розробки було дослідження існуючої елементної бази та наявних технологій, опрацювання можливих варіантів компоновки і визначення ключових завдань створення групових ППМ бортових літакових АФАРСЬКА.

II. Функціональна схема модуля

Для отримання необхідного енергетичного потенціалу літакова АФАРСЬКА може містити до 2 тис. ППМ. Конструктивно вони об’єднуються в багатоканальні групові модулі, що складаються з декількох ідентичних приймально-передавальних каналів (ППК) з загальними УУ, модуляторами живлення (МП), системою охолодження (СО), системою розподілу НВЧ сигналу і т.д. Групові модулі є конструктивно знімними елементами, з яких формується полотно решітки.

ППК має забезпечувати працездатність РЛС в широкій смузі частот (30% і більше) і виконувати такі основні функції:

• отримання імпульсної вихідний НВЧ потужності не менше 8-10 Вт з коефіцієнтом посилення 30 дБ;

• посилення вхідних сигналів з коефіцієнтом посилення ~ 30 дБ і коефіцієнтом шуму <3 дБ;

• управління фазою НВЧ сигналів від 0 до 360 ° с кроком 5,625 °;

• управління амплітудою НВЧ сигналів на 1520 дБ з кроком 0,5-1 дБ.

У свою чергу ППК складається з двох каналів, приймального і передавального, які підключаються до випромінювача через феритове циркулятор (рис.1).

Рис. 1. Структурна схема ППМ Fig. 1. Transceiving module diagram

Перемикання режимів прийому / передачі на вході ППК здійснюється швидкодіючим перемикачем. Для захисту вхідних ланцюгів МШУ від просочується потужності з передавального каналу, використовується активна захист, яка включається пристроєм управління в режимі передачі і відключається в режимі прийому. Пасивний захист служить для захисту приймального каналу від можливого зовнішнього випромінювання. Система тепловідведення передавального каналу забезпечує відведення тепла від підсилювача потужності (УМ) в канал рідинного охолодження. Дані з датчика температури, наявного в УМ, надходять в УУ і використовуються для корекції температурних доглядів амплітудних і фазових характеристик ППК, а також захисту УМ від виходу з ладу при перевищенні допустимого теплового режиму. Для зменшення енергоспоживання і зниження теплових навантажень харчування УМ по постійному току здійснюється від імпульсного модулятора, що відключає УМ в паузах передачі. Для забезпечення максимальної швидкодії атенюатори і фазообертачі каналів прийому і передачі з’єднуються з УУ паралельним інтерфейсом.

Модуль, крім описаних вище чотирьох ППК, містить: вузли УУ, і МП, а також СО і схему розподілу НВЧ сигналу по ППК (рис. 2).

Рис. 4. Комп’ютерна модель і фотографія СВЧ збірки ППК

Fig. 4. Computer model and photo of microwave assembly of transceiving channel УУ містить дві ПЛІС, кожна і яких управляє двома ППК. Проблема великої кількості межсоединений УУ і НВЧ вузлів вирішується застосуванням багатошарових поліамідних сполучних шлейфів. Контроль температурного режиму УМ, коригування температурних доглядів амплітудних і фазових характеристик ППК і формування діагностичних повідомлень про стані модуля здійснюється микроконтроллером. Управління модулем здійснюється зі швидкісного каналу (50 Мбіт / с) з послідовним інтерфейсом. УУ виконано на багатошарової стеклотекстолитовую платі, має габаріти47x65x5 мм3 і массу29, 2 м.

МП також виконаний на стеклотекстолитовую платі на здвоєних імпульсних MOSFET, що забезпечують падінням напруги на відкритому каналі не більше 0,3 В при струмах навантаження до 4 А і температурі навколишнього середовища до +70 ° С. Час переключеніяне більше 50 не.

Парціальна маса ППК у складі модуля 52 г, з яких значна часть36, 3 г (70%) припадає на корпус, традиційно виготовленого з алюмінієвих сплавів і з використанням поглиначів з компаундів на основі фериту. Завдання оптимізації корпусу буде вирішуватися на наступних етапах розробки на базі LTCC технологій.

IV. Вихідний УМ і СО модуля

Для досягнення енергетичного потенціалу АФАРСЬКА, порівнянного з існуючими пасивними ФАР [2], вихідний УМ повинен забезпечувати вихідну випромінювану потужність не менше 8-10 Вт, а для більш повної реалізації переваг АФАРСЬКА, необхідно її збільшення до 20 Вт Створення подібних підсилювачів при вимозі забезпечення широкої смуги робочих частот і високого ККД, є однією з найбільш важких завдань розробки ППМ, так само як і завдання відведення тепла від кристалів УМ, враховуючи обмежений об’єм ППК та їх щільну упаковку в полотні решітки. В даний час практичне досягнення необхідних параметрів можливо на основі однокристальних МІС багатокаскадних УМ, побудованих за бінарною схемою складання потужностей окремих транзисторних осередків [6, 7], а в перспективі із застосуванням МІС на гетероструктурах типу Al GaN / GaN. У розглянутій конструкції УМ використовується GaAs МІС [6], побудована за бінарною схемою, що дозволило отримати вихідну потужність 10 Вт у смузі частот 40% (за рівнем 1,5 дБ), ККД не менше 30% і коефіцієнт посилення 22 дБ.

Для поліпшення тепловідводу кристал МІС монтується на підставу через мідну вставку із застосуванням термокомпенсаціонного спаю для запобігання можливого руйнування МІС через розходження значень КТР міді і GaAs / МД. Канали СО виконані в тілі корпусу, де під кристалами МІС розташовані мідні радіатори, через які прокачується охолоджуюча рідина. Розміри вузла УМ-12, 6×14, 2×1, 7мм3, Маса-1, 7 м.

V. Фрагмент АФАРСЬКА

На основі модуля виготовлена ​​експериментальна модель фрагмента АФАРСЬКА (рис 5) з періодичністю розташування ППК в решітці 19x17мм2. Модель призначена для відпрацювання схем узгодження ППК з випромінюючими елементами і системи розподілу НВЧ сигналів по ВПК, а також для вирішення завдань охолодження модуля в складі антенної решітки.

VI. Висновок

Хоча за основним електричним, масогабаритні і експлуатаційними характеристиками модуль відповідає пропонованим вимогам, отримані результати слід розглядати лише як перший крок до практичної реалізації конструкції ППМ, що відповідає сучасним вимогам. Подальша відпрацювання конструкції буде вестися за такими ключовими напрямами:

• вирішення схемотехнічних, топологічних і технологічних завдань у забезпечення масового промислового виробництва необхідної номенклатури МІС з прийнятною вартістю;

• рішення задач надщільного монтажу і корпусування із застосуванням LTCC технологій:

• подальша відпрацювання схем побудови ППМ, визначення оптимальної кількості ППК групових модулів, рішення задач розподілу НВЧ сигналів по ППК та охолодження ППМ в складі АФАРСЬКА.

Розглянуті модуль і фрагмент АФАРСЬКА будуть використані як основа для відпрацювання нових конструктивних і технологічних рішень.

На закінчення автори висловлюють вдячність А.І. Сінані і А.А. Кіщинський за корисні поради, що даються в ходу розробки з формування технічних вимог і концепціям побудови модуля. Автори також дякують А. В. Крутова, Г. В. Милова, Т. Л. Шнітенкову, І. М. Кпімшіну, Д. А. Бегініна, Т. А. Тихомирову і О. Ф. Колесникову за надану допомогу при розробці та виготовленні модуля .

Рис. 5. Фотографія моделі фрагмента АФАРСЬКА Fig. 5. Photo of the Phased Array Fragment

VII. Список літератури

1. А. І. Канащенков. Концепція вдосконалення авіоніки і вигляд сучасних систем управління озброєнням, Радіотехніка, 2002, № 8, с. 3-14.

2. Ю. І. Білий, А. І. Сінані, А. Е. Чалих та ін Електронне сканування в системах управління озброєнням винищувачів, Радіотехніка, 2002, № 9, с. 34-42.

3. Ю. Н. Гуськов. Концепція створення бортової радіолокаційної системи з активною ФАР, Радіотехніка,

2002, № 8, с. 25-29.

4. А. Горєлов. Розробка РЛС перспективного тактичного винищувача JSF. Закордонний військовий огляд, 2001, № 3 с. 39-41.

5. Гоупповая технологія розведення і корпусування для СВЧмодулей, Новини СВЧ техніки, 2003, № 3, с. 2-6.

6.    I. J. Bahl et al. Multifunction SAG Process for High-Yield, Low-Cost GaAs Microwave Circuits. IEEE MTT-38, Sep.

1990,               pp. 1175-1182.

7.    EdwardL. Griffin. INVITED: X-band GaAs MMIC size reduction and integration. IEEE 2000.

10 W 4-CHANNEL TRANSCEIVING MODULE FOR X BAND PHASED ARRAY ONBOARD RADARS

Buterin A. V, Dobrenkov V. N., Kovalchuk A. G., Kozlov A. G., Posadsky V. N.,Pryazhnikov D. A., Semyonov E. A., Sergeyev V. A JSC ZAO «NPC «ALMAZ-FAZATRON»

Panfilov str. 1, Saratov, 410033, Russia, tel. (8453) 37-29-33, email: almaz(o)overta.ru

Abstract Presented in this paper are the basic results of development of powerful multi-channel group transceiving module for onboard phased arrays using monolithic elements. We defined the basic tasks of creation of transceiving modules, which would meet the requirements of avionics development.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.