Разработка адаптивных ЦФАР. Преимущества и недостатки

Development of adaptive digital phased array antenna. Advantages and disadvantages

Andrei Burykin

employee of the RTS Research Institute, TUSUR, Russia, Tomsk

Vladimir Kuprits

senior researcher of the RTS Research Institute, TUSUR, Russia, Tomsk

Аннотация. В данной статье будет рассмотрены принципы работы цифровой фазированной антенной решетки, а также преимущества и недостатки цифровых антенных решеток.

Abstract. In this article, the principles of digital phased array antenna operation, as well as advantages and disadvantages of digital antenna arrays will be considered.

Ключевые слова: адаптивная ЦФАР; зеркальный канал; нелинейные искажения.

Keywords: Adaptive digital phased array antenna; mirror channel; nonlinear distortion.

Адаптивная цифровая фазированная антенная решетка (адаптивная ЦФАР) – антенная решетка с цифровой обработкой сигнала, в которой диаграмма направленности (ДН) адаптивно изменяется в зависимости от внешних или внутренних факторов. Адаптация ДН позволяет улучшить качество приема сигнала и избежать внешней искусственной или натуральной помехи.

Разработка цифровых антенных решеток началась еще в 80-ых годах. Но полная реализация в виде прототипов или работающих систем стала возможна лишь в последнее время. Это стало благодаря активной разработке и улучшению цифровой техники. Повышалась разрядность аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, повышается быстродействие цифровой техники, компьютеров, которые обрабатывают данные и т.д.

Но развитие техники не позволяет полностью отказаться от аналоговой обработки сигнала. И любые искажения, которые возникают в следствии аналоговой обработки, в дальнейшем несут значительные погрешности при цифровой обработки. Цель данной работы и дальнейшего исследования – исследование влияния искажений, вносимых ВЧ трактом, на данные, полученные в результате цифровой обработки.

На рисунке 1 представлена схема ЦФАР. Данная схема ЦФАР реализована на супергетеродинном приемнике [1].

Рисунок 1. структурная схема ЦФАР

Принцип работы данной схемы заключается в следующем:

На антенну приходит аналоговый сигнал и поступает на малошумящий усилитель (МШУ), где усиливается до необходимого уровня. Далее на конвертере происходит преобразование с высокой частоты на промежуточную частоту (преобразование вниз). Промежуточная частота задаётся синтезатором частоты. На АЦП сигнал преобразуется из аналогового в цифровой, и поступает на квадратурный формирователь (КФ), где сигнал разделяется на I-квадратуру и Q-квадратуру. Данные поступают на шину данных (ШД), передающую информацию на спец вычислитель (СВ), где сигнал обрабатывается.

Для работы ЦФАР в качестве излучения – I и Q квадратуры поступают от СВ на ЦАП через ШД. На ЦАП сигнал преобразуется из цифрового в аналоговый и поступает на смеситель, где происходит перенос на высокую частоту (преобразование вверх). Усиленный сигнал поступает на антенну и излучается в свободно пространство.

Преимущество данной схемы заключается в том, что благодаря цифровой обработке входных сигналов антенной решетки возможно применение цифрового диаграммообразования.

Основным недостатком цифровых фазированных антенных решеток (ЦФАР) является высокая стоимость.

При разработке ЦФАР необходимо учитывать множество факторов, которые могут ухудшить ее технические характеристики. Например, наличие зеркального канала - второй входной частоты, дающей такую же разность с частотой гетеродина, что и рабочая частота. Сигнал, передаваемый на этой частоте, может проходить через фильтры ПЧ вместе с рабочим сигналом [2]. Решить данную проблему поможет усложнение ПЧ фильтра или несколько преобразование частот (двойное или тройное преобразование).

Другим фактором является излучения от гетеродина, которые могут излучатся в свободное пространство, тем самым демаскируя радиотехническое средство или же мешать, давать помеху, для других радиотехнических средств. Решением является использование гетеродина малой мощности.

Еще одним фактором являются нелинейные искажения (интермодуляционные искажения), которые возникают в следствии прохождении сигнала через нелинейные элементы. Это отражается в том, что на выходе элемента в спектре появляются дополнительные комбинационные частоты. Параметр, описывающий интермодуляционные искажения называется коэффициентом нелинейных искажений и рассчитывается по формуле, взятой из [3]:

Таким образом при разработке ЦФАР необходимо учитывать множество факторов, которые могут существенно влиять на технические характеристики ЦФАР. В настоящее время разработано специальное программное обеспечение для разработки блоков, устройств и радиотехнических систем. Один из наиболее широко используемых является специализированная программа системы автоматического проектирования (САПР) SystemVue.

Модель приемного тракта была построена в SystemVue. На рисунке 3 представлен приемный тракт ЦФАР.

Рисунок 2. Приемный тракт ЦФАР

Принцип работы аналогичен принципу, представленному выше. Формируется сигнал на частоте 100 МГц, который поступает на ВЧ часть (Блок RF_ Link). На рисунке 3 представлена схема ВЧ части.

Рисунок 3. высокочастотная часть приемного тракта

Далее сигнал на промежуточной частоте 10 МГц проходит через фильтр и поступает на блок AtoD. Блок AtoD – аналого-цифровой преобразователь, в котором уже реализуется разделение на квадратуры. На выходе мы можем рассмотреть квадратуры во временной и частотной области. На следующих рисунках представлены сигналы на выходе во временной и частотной области.

Рисунок 4. I-квадратура

Рисунок 5. Q-квадратура

Рисунок 6. Спектры двух квадратур на выходе

Таким образом, для разработки адаптивных ЦФАР перспективным является использование САПР, например, SystemVue. Разработанные модели в САПР SystemVue позволяют анализировать и улучшать характеристики ЦФАР. В частности, уменьшить влияния зеркального канала и снизить интермодуляционные искажения тем самым снизить искажения сигналов при цифровой обработки.

Работа в направлении уменьшения стоимости ЦФАР, ее энергопотребления, тепловыделения и улучшения других характеристик, влияющи на работу РТС, так же перспективна, поскольку, данные проблемы всегда возникают в процессе разработки РТС, так же необходимо разрабатывать и улучшать характеристики системы при использовании отечественных блоков и узлов.