ПОИСК ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕГО МОДУЛЯ АФАР С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ НАДЕЖНОСТИ МЕТОДОМ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ

Повышающиеся требования к дальности обнаружения воздушных целей, масса-габаритным характеристикам радиолокационных средств и их надежности и простоте эксплуатации, а также желание иметь многофункциональные антенные устройства, способные гибко осуществлять сканирование по любому закону, управлять формой диаграммы направленности, видом сигналов и излучаемой мощностью [1] привели к массовому развитию активных фазированных антенных решеток (АФАР), которые являются основным элементом радиолокационных средств. Однако не все преимущества, которые традиционно перечислялись в литературе, как очевидные достоинства перехода к АФАР получили практическое подтверждение. Так, например, высокая надежность, которая приписывается антенным устройствам с твердотельными активными элементами, обуславливается на порядок превосходящими значениями наработки на отказ твердотельных усилителей – 10⁴ - 10⁵ часов против 300- 500 часов для электровакуумных приборов [2], была несколько переоценена. Достижение заявленных параметров зависит от множества факторов, в том числе от факторов окружающей среды и повторяемости технологии изготовления СВЧ монолитных интегральных схем (МИС), помимо прочего существенным является то обстоятельство, что СВЧ МИС не единственная часть обеспечивающая работоспособность АФАР. Вопросы обеспечения требований надежности АФАР являются как никогда актуальными на этапе, когда формирование концептуальных и единичных образцов АФАР завершено, а от промышленности ожидают массовый выпуск серийных образцов перспективных антенных систем отвечающих всем вызовам времени.

Основным элементом АФАР за счет которого реализуется распределенная система и становиться возможным поэлементное управление фазой и усилением принимаемого и передаваемого СВЧ сигнала антенного устройства является активный антенный модуль, выполненный по технологии СВЧ МИС. При этом КПД таких устройств в настоящий момент достигает значений около 25%, соответственно большая часть мощности преобразуется в тепло [3]. Поэтому обязательным требованием для АФАР является система охлаждения, которая должна быть интегрирована в элементы конструкции антенного устройства. Для питания антенных элементов используются вторичные DC/DC преобразователи, которые устанавливаются в непосредственной близости от антенных модулей для исключения возникновения потерь. Управление и контроль антенных модулей и вторичных источников питания осуществляется устройством управления. Передача СВЧ сигнала от источника (генератора) до входа антенного модуля в передающем тракте и обратно от антенного модуля до устройства обработки осуществляется по волноводным трактам, выполненным по различным технологиям в зависимости от конструктивных ограничений. Все эти основные составные части традиционно объединяются конструктивно в n-канальный приемопередающий модуль. Структурная схема такого модуля представлена на рисунке 1.

Традиционно данные модули конструируются как единый элемент, который представляет из себя корпус с интегрированным каналом жидкостного охлаждения из алюминиевого сплава, на который монтируются с двух сторон элементы [4]. Активные антенные модули по стороне, где располагаются антенные излучатели, вторичные источники располагаются по стороне, где осуществляется подвод электропитания, между ними устройство управления и волноводное устройство распределения СВЧ сигнала. Для обеспечения наименьшей стоимости изготовления АФАР антенные модули, как самый дорогостоящий элемент в совокупности элементов АФАР, конструктивно представляет из себя модуль с СВЧ монолитными интегральными схемами без каких-либо защитных конструкций, то есть он не защищен от воздействия окружающей среды. Поэтому приемопередающий модуль и его корпус должен быть заполнен инертным газом и надежно загерметизирован, что накладывает существенные ограничения и издержки при восстановлении/ремонте модуля в случае выхода из строя какого-либо из элементов.

С учетом низкого КПД антенных модулей и одновременно требований по высокой излучаемой мощности и масса-габаритным характеристикам (на это так же накладывает ограничение по шагу антенной решетки) современных антенных устройств вторичный источник питания должен обладать значительной мощностью при ограниченных габаритах – от 200 Вт при питании 4-х антенных модулей номинальной мощностью излучения 10 Вт и примерными размерами 6х8х1,5 см. При заданных требованиях возникает потребность в активном охлаждении источников питания и значительно возрастает риск возникновения отказа элемента. При этом при использовании вторичного источника питания, который обеспечивает питанием несколько антенных модулей параллельно, возникновение отказа источника питания приводит к неработоспособности нескольких антенных каналов.

Наиболее технологически отработанными и наименее нагруженными элементами приёмо-передающего модуля являются устройство управления и волноводный тракт, наработка на отказ этих элементов составляет более 10³ часов.

Требования надежности к технике определяются в первую очередь безотказностью (наработка на отказ, вероятность безотказной работы) и временем восстановления. Время восстановления до исправного состояния должно рассматриваться не только на этапе эксплуатации, как время, требуемое для замены типового сменного элемента, так и время, и издержки, которые требуются при ремонте техники при возникновении отказа при изготовлении и испытаниях.

Так, задавшись тремя основными требованиями при определении оптимальной конструкции приемопередающего модуля, а именно:

- безотказность,

- затраты на восстановление,

- затраты на изготовление,

будут рассмотрены варианты конструктивных решений элементов модуля, определяющих конструкцию всего модуля. При этом основные тактико-технические характеристики модуля и составных частей обеспечиваются всеми вариантами конструкции.

С точки зрения обеспечения наименьших затрат на ремонт и восстановление возникающих неисправностей выделяются три основных варианта конструкции активного антенного модуля:

1)   незащищенный АМ в открытом исполнении с СВЧ-полосками и разъемом для внутреннего монтажа (базовый вариант),

2)   защищенный АМ в герметизированном корпусе с СВЧ-полосками и разъемом для внутреннего монтажа,

3)   защищенный АМ в герметизированном модульном исполнении с СВЧ разъемами для внешнего монтажа.

Первый вариант предполагает общий герметизированный корпус модуля и монтаж СВЧ тракта золотыми перемычками методом сварки, второй вариант предполагает монтаж в корпус с сваркой перемычками, но не требует герметизации корпуса, достаточно обеспечить закрытое пространство с использованием крышки, прокладки и крепежных элементов, крышка при необходимости может быть снята без использования специальных технологий. Третий вариант предполагает установку АМ как съемного модуля на внешнюю сторону плиты с каналом охлаждения, при этом замена АМ не потребует каких-либо специальных операций. Вариант такой модульной конструкции антенного модуля существует и подробно рассматривается в работе [4]. Стоит учитывать, что стоимость изготовления такого модуля и корпуса с вмонтированными LTCC платами для передачи сигнала и расположения разъемов значительно выше базового варианта. Дополнительно вводится требование по потерям СВЧ мощности, так как при использовании разъемного соединения антенных модулей потери мощности возрастают.

С точки зрения вторичного источника электропитания его конструктив так же может быть выполнен в нескольких вариантах:

1)   Незащищенное исполнение без корпуса с выводами под пайку,

2)   Защищенное исполнение с герметичным корпусом и выводами под пайку,

3)   Защищенное модульное исполнение с разъемными соединениями,

4)   Одноканальный источник питания (от одного канала питаются 8 антенным модулей),

5)   Четырех канальный источник питания (от одного независимого канала питаются 2 антенных модуля),

6)   Восьмиканальный источник питания (от одного независимого канала питается один антенный модуль).

При этом варианты 1-3 и 4-6 могут комбинироваться между собой, то есть может быть 8-канальный модульный и 8-канальный незащищенный вариант исполнения.

Заданные требования подверглись экспертной оценке с применением матрицы N², в результате чего получены веса для набора заданных требований, соответствующая матрица представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Расчет весовых коэффициентов для заданного набора требований методом матрицы N²

Для проведения многопараметрической оптимизации получены 15 комбинаций различных технических решений:

ТР1 –ТР3 – Незащищенный АМ + 1 (4, 8)-канальный незащищенный ВИП,

ТР4–ТР5 – Герметизированный АМ + 1 (4, 8)-канальный герметизированный ВИП,

ТР7–ТР9 – Модульный АМ + 1 (4, 8)-канальный герметизированный ВИП,

ТР10–ТР12 – Модульный АМ + Модульный 1 (4, 8)-канальный ВИП,

ТР13–ТР15 – Герметизированный АМ + Модульный 1 (4, 8)-канальный ВИП.

Далее альтернативы были оценены по заданным требованиям методом экспертной оценки. В результате многопараметрической оптимизации экспертные оценки приведены к абсолютным значениям по формуле

X = (Xbest – Xi)/ Xbest * Ki, где

Xbest – лучшая оценка из всех альтернатив по заданному требованию,

Xi – текущая оценка требования рассматриваемой альтернативы,

Ki – весовой коэффициент для заданного требования.

Результаты многопараметрической оптимизации сведены в таблицу 2, суммарные интегральные коэффициенты Гермейера представлены для всех технических решений в последней строке.

Таблица 2 - Результаты многопараметрической оптимизации альтернатив приемопередающего модуля

Интегральный коэффициент Гермейера показывает, что оптимальным техническим решением является ТР3, так как коэффициент для данной альтернативы минимальный. Техническое решение №3 представляет из себя совокупность незащищенных антенных модулей и незащищенных восьмиканальных вторичных источников питания. Несмотря на кажущуюся не технологичность данного решения с учетом требований по стоимости изготовления данный вариант является оптимальным с точки зрения затрат и требований безотказности. Так же при меньшей чувствительности к затратам на производство составных частей приемлемым является ТР6 – герметизированный АМ и 8-канальный герметизированный ВИП, что позволит исключить герметизацию корпуса приемопередающего модуля и существенно облегчить его сборку/разборку и сократить время восстановления и издержки.

В работе были проанализированы основные факторы, определяющие выполнение требований надежности к элементам АФАР. Основной конструктивный элемент АФАР – приемопередающий модуль. Были предложены различные варианты конструкции составных частей приемопередающего модуля, из которых сформированы комбинации технических решений в различной степени реализующие требования к надежности АФАР с учетом ее стоимости. Методом многопараметрической оптимизации из массива технических решений выбран оптимальный вариант конструкции, который состоит из незащищенных активных антенных модулей и незащищенных восьмиканальных вторичных источников питания. Метод позволил выбрать оптимальное техническое решение с учетом требований безотказности, времени и затрат на восстановление, СВЧ потерь и стоимости изготовления приемопередающего модуля и АФАР.

1. В. Л. Гостюхин, В. Н. Трусов и А. В. Гостюхин, Активные фазированные антенные решетки, Москва: Радиотехника, 2011.
2. Д. И. Воскресенский и А. И. Канащенков, Активные фазированные антенные решетки, Москва: Радиотехника, 2004.
3. В. А. Савенко, «Электроника и микроэлектроника СВЧ,» в Унификация конструкторских решений для построения приемо-передающих модулей АФАР различных диапазонов., Санкт-Петербург, 2013.
4. Н. Э. Ненартович и М. Б. Митяшев, «Из практики разработки активных фазированных антенных решеток,» ЭЛЕКТРОННЫЙ СЕТЕВОЙ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ “ВЕСТНИК МГТУ МИРЭА”, т. №3(4), pp. 173-188, 2014.
5. М. С. Карасев, А. Г. Далингер и В. А. Жерновенков, «Перспективный многофункциональный приемо-передающий модуль АФАР Х-диапазона и методика измерения его параметров,» ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА СВЧ, т. 1, pp. 355-360, 2017.

Все статьи автора «Бастраков Александр Владиславович»