авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Повышение уровня выходной мощности приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЕЗОПОВ Андрей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ

ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИХ МОДУЛЕЙ

АКТИВНЫХ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

Специальность: 05.12.07 – Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2011

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель – заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Коломейцев Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор

Кошелев Василий Сергеевич

кандидат физико-математических наук,

профессор, лауреат Государственной

премии СССР

Посадский Виктор Николаевич

Ведущая организация – ОАО НПП «Контакт», г. Саратов

Защита состоится «20» декабря 2011 г. в 13 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 2, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (410054, Саратов, ул. Политехническая, 77).

Автореферат разослан «___» ноября 2011 г.

Автореферат размещен на сайте Минобрнауки России «___»ноября 2011 г. и на сайте ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.» www.sstu.ru «___»ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Димитрюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время наиболее актуальной и практически важной задачей в радиолокации является повышение уровня излучаемой СВЧ мощности активной фазированной антенной решетки (АФАР). Увеличение излучаемой мощности позволит увеличить дальность обнаружения цели. Для формирования требуемых диаграмм направленности в АФАР существует ограничение: шаг решетки не должен превышать половины длины волны излучаемого СВЧ сигнала. Данное ограничение переходит в требование, предъявляемое к габаритным размерам приемо-передающих модулей (ППМ) – основных элементов АФАР. Начиная с некоторых частот СВЧ диапазона, ограничение максимально возможного поперечного сечения приемо-передающего канала приводит к невозможности использования миниатюрных электровакуумных и корпусированных твердотельных приборов. Доступной для применения в ППМ элементной базой остаются бескорпусные твердотельные элементы, выполненные в виде монолитных интегральных схем на диэлектрических подложках с высокой диэлектрической проницаемостью. Более низкий КПД твердотельных элементов (в два раза и более) по сравнению c магнетронами и лампами бегущей волны выдвигает на первый план задачу обеспечения теплового режима. КПД лучших твердотельных усилителей СВЧ мощности составляет ~ 25 %, это означает, что 75 % подводимой мощности преобразуется в тепло. Поэтому задача увеличения излучаемой СВЧ мощности сводится к задаче отвода тепловой мощности от активного элемента приемо-передающего модуля.



Особую актуальность данная задача приобретает с появлением монолитных интегральных схем усилителей СВЧ мощности с высоким уровнем мощности 10-15 Вт, когда уровень доступной элементной базы обеспечивает более высокий уровень излучаемой СВЧ мощности, а конструктивная реализация системы отвода тепла от активного элемента не обеспечивает необходимый режим охлаждения.

Значительный вклад в исследование вопросов проектирования активных фазированных антенных решеток внесли зарубежные ученые Brookner E., Horton D.A., Reudink D.O. и др., а также российские ученые Воскресенский Д.И., Гостюхин А.В., Гуськов Ю.Н., Бахрах Л.Д., Белый Ю.И., Глушицкий И.В. и др.

Однако несмотря на проведенные исследования вопросов проектирования и построения активных фазированных антенных решеток, актуальными и практически важными остаются следующие задачи: интенсификация процесса отвода тепла от активного элемента (монолитной интегральной схемы выходного усилителя мощности); измерение температуры активного элемента без нарушения электромагнитной совмести; минимизации паразитного взаимодействия бескорпусных СВЧ элементов приемо-передающего модуля, расположенных в замкнутых радиогерметичных отсеках. Решению вышеперечисленных вопросов и посвящена данная диссертационная работа.

Цель диссертационной работы: повышение уровня выходной мощности приемо-передающего модуля посредством интенсификации процесса теплопередачи и теплоотдачи рассеиваемой в активном элементе приемо-передающего модуля тепловой мощности в окружающую воздушную среду или охлаждающую жидкость и оптимизация импульсного режима работы ППМ.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи были использованы: метод вариации произвольной постоянной (метод Лагранжа); метод разделения переменных; принцип суперпозиции; представление искомого теплового поля в ряд Фурье; численные методы решения краевых задач математической физики (метод конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок; метод конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье).

Научная новизна:

1. Предложена математическая модель внутренней краевой задачи теплопроводности для приемо-передающего модуля АФАР, позволяющая провести аналитическое исследование теплового поля ППМ, процессов теплопередачи и теплоотвода тепловой мощности от активных элементов монолитной интегральной схемы (МИС) в окружающую среду и охлаждающую жидкость и определить пути повышения уровня выходной мощности ППМ.

2. Установлено, что использование в качестве основания МИС металлической пластины с высокой теплопроводностью и заполнение воздушного промежутка между МИС и корпусом ППМ порошком бериллиевой керамики позволяет увеличить отвод тепловой мощности от активных элементов в окружающую среду, уменьшить максимальную и среднюю температуру нагрева МИС, то есть увеличить Рвых модуля без нарушения рабочего режима работы ППМ.

3. Показано, что с уменьшением времени длительности теплового импульса снижается величина максимальной температуры нагрева активного элемента МИС при постоянстве средней температуры – tср на периоде импульсного режима, что позволяет увеличить выходную СВЧ мощность на сверхкоротких импульсах (им5·10-4с) без нарушения порога тепловой безопасности работы ППМ.

4. Разработан бесконтактный метод измерения температуры активного элемента приемо-передающего модуля АФАР, позволяющий контролировать температуру монолитной интегральной схемы без нарушения электромагнитного и теплового полей вблизи активного элемента, в основе которого лежит зависимость подвижности основных носителей заряда в канале полевого транзистора от температуры.

5. Предложен способ электромагнитной совместимости приемного и передающего каналов в замкнутом радиогерметичном отсеке приемо-передающего модуля АФАР, основанный на временном разделении работы приемника и передатчика, позволяющий устранить паразитную обратную связь между активными элементами.

Практическая значимость.

1. Предложенные однослойная и двухслойная модели внутренней краевой задачи теплопроводности с произвольными источниками тепла могут быть использованы для оптимизации теплового режима приемо-передающих модулей в современных радиолокационных системах, а также в СВЧ-энергетике при расчете тепловых полей в объеме нагреваемого материала в СВЧ установках волноводного и резонаторного типов.

2. Предложенный бесконтактный способ контроля температуры выходного усилителя мощности может быть использован для контроля температуры бескорпусных СВЧ элементов, выполненных на GaAs, в схеме которых присутствует транзисторный элемент, работающий в режиме насыщения.

3. Полученные в работе результаты могут быть использованы в учебном процессе по специальности «Радиотехника» в курсах «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах».

Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета и научно-производственном центре ЗАО «Алмаз-Фазотрон». Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на всероссийских и международных научно-технических конференциях: «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, СГТУ, 2010), «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (Звенигород, ФГУП «НПП «Пульсар», 2010), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-ХХIV» (Саратов, СГТУ, 2011).

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обусловлена корректностью математической модели процесса теплопередачи и нагрева активного элемента ППМ АФАР; использованием высокоточных численно-аналитических методов решения краевых задач математической физики; экспериментальной проверкой предложенных в работе бесконтактного метода контроля температуры активного элемента и режима работы приемо-передающего модуля, при котором работа приемного и передающего каналов разнесена во времени.

Реализация результатов. Результаты исследований внедрены на предприятии ЗАО НПЦ «Алмаз – Фазотрон» и могут быть использованы в учебном процессе и научно-исследовательских работах, проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ и на предприятиях радиоэлектронного профиля: ОАО НПП «Контакт», ОАО «КБ Электроприбор», ОКБ «Тантал-Наука».

Публикации.

По результатам научных исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, опубликовано 9 печатных работ, из них три работы – в рекомендуемых ВАК РФ изданиях.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа, состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 184 страницы и включает 57 рисунков, а также список используемой литературы, содержащий 101 наименование.

Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты расчета тепловых свойств приемо-передающих модулей АФАР получены автором самостоятельно, кроме того, в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов, разработке методики и проведении экспериментальных исследований группового четырехканального приемо-передающего модуля.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса нагрева, теплопередачи и теплообмена приемо-передающего модуля АФАР, позволяющая исследовать тепловые процессы в твердотельных монолитных интегральных схемах с точечными поверхностными источниками тепловой мощности и позволяющая определить пути оптимизации теплового режима данного СВЧ-устройства.

2. Результаты исследований теплового поля монолитной интегральной схемы приемо-передающего модуля, процессов теплопередачи и теплообмена направленные на повышение выходной мощности ППМ посредством увеличения теплового потока от активных элементов МИС в окружающую среду или охлаждающую жидкость и снижения максимальной температуры нагрева усилителя СВЧ мощности.

3. Доработка конструкции ППМ, которая при заданном режиме охлаждения обеспечивает максимальную передачу тепловой мощности от МИС в охлаждающую среду посредством использования медной пластины в качестве основания МИС и заполнением внутренней полости ППМ порошком бериллиевой керамики, обладающего высокой теплопроводностью, что позволяет увеличить теплоотдачу с верхней поверхности ППМ без нарушения электродинамических процессов МИС.

4. Бесконтактный метод контроля температуры активного элемента приемо-передающего модуля АФАР, позволяющий контролировать температуру монолитной интегральной схемы без нарушения электромагнитного и теплового полей вблизи активного элемента, в основе которого лежит зависимость подвижности основных носителей заряда в канале полевого транзистора.





ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе отражены конструктивные особенности приемо-передающего модуля АФАР, предложен способ обеспечения электромагнитной совместимости элементов приемного и передающего каналов, исследована проблема устойчивости выходного усилителя мощности в бескорпусном исполнении.

Приемо-передающий модуль (ППМ) – основа пространственного канала АФАР. Функциональные возможности ППМ позволяют достичь описанных преимуществ АФАР. ППМ должен обеспечивать: заданный уровень СВЧ-мощности в излучателе; требуемую чувствительность приемного канала и защиту малошумящего усилителя; раздельное управление амплитудно-фазовым распределением в режимах приема и передачи; компенсацию температурной и частотной зависимостей данного распределения в заданном частотном и динамическом диапазонах; управление переключателями СВЧ тракта внешним импульсом синхронизации; компенсацию температурной зависимости коэффициентов передачи ППМ в режимах передачи и приема; принимать и хранить кодовые команды центрального блока управления; по запросу центрального блока управления формировать коды состояния основных параметров и общего сигнала исправности.

Основной элементной базой приемо-передающих модулей АФАР являются монолитные интегральные схемы на кристаллах GaAs. Достигнутый уровень мощности усилителей на GaAs составляет порядка 10 Вт. Дальнейшее увеличение мощности на данном материале практически невозможно. Перспективным направлением развития твердотельной элементной базы является переход на полупроводниковый материал, обладающий существенно лучшими характеристиками, – GaN. Максимальная выходная мощность усилителей на GaN в настоящий момент составляет порядка 15-20 Вт. Существенно более высокая стоимость GaN не позволяет полностью заменить GaAs. При производстве опытных образцов ППМ, когда необходимо в короткие сроки создать рабочие образцы с высокими выходными характеристиками, интерес представляет КМИС технология. КМИС – квазимонолитная интегральная схема. Позволяет сочетать возможности GaN и простоту GaAs. Маленький (не более 10% от общей площади усилителя) активный элемент изготавливается на GaN, а пассивные элементы (индуктивности, емкости, микрополосковые линии, занимающие остальные 90% площади) изготавливаются на полуизолирующем GaAs.

В первой главе также сформулированы основные проблемы, возникающие при разработке приемо-передающих модулей: отвод тепла из активной области выходного усилителя мощности к внешней поверхности модуля; бесконтактный контроль температуры в области наибольшей тепловой нагрузки; стабилизации температуры модуля при настройке, калибровке и испытаниях; электромагнитная совместимость бескорпусных твердотельных СВЧ элементов в ограниченном объеме.

Суммарный коэффициент усиления приемного и передающего каналов составляет порядка 80 дБ, а суммарные развязки ферритных вентилей и транзисторных переключателей составляют не более 60-70 дБ, что дает возможность появлению паразитной обратной связи. Каскадирование ключей и ферритных вентилей для увеличения уровня развязки нецелесообразно, т.к. обратная связь может возникать и по объему радиогерметичного отсека канала. Устранение связей по объему возможно только в случае создания конструкции, удовлетворяющей решению ВКЗЭ для замкнутых областей с неоднородным заполнением диэлектрическими (GaAs) и проводящими (Al) материалами. Принимая во внимание то, что не всегда можно изготовить конструкцию, удовлетворяющую полученному решению, в рамках данной конструкции был предложен режим импульсного питания не только передающего, но и приемного каналов. Отключение приемного канала на время работы передающего позволяет разорвать цепь возникновения обратной связи, то есть минимизировать паразитное взаимодействие бескорпусных СВЧ элементов приемного и передающего каналов.

Исследован вопрос устойчивости выходного усилителя мощности в монолитном интегральном исполнении, и определены пути устранения электромагнитного самовозбуждения. Показано, что паразитная электромагнитная самогенерация в рабочем диапазоне частот вызвана усилением гармоник сигнала более низкой частот. Электромагнитное моделирование цепей питания усилителя мощности позволило определить источник этих колебаний – недостаточную фильтрацию по цепям питания первого и второго каскадов усилителя. Показано, что добиться устойчивой работы микросхемы позволяют: несимметричная подача питания на второй каскад; установка дополнительного конденсатора в разрыв золотых перемычек.

Тепловой режим ППМ определяет в основном одним элементом – выходным усилителем мощности (рис. 1), так как рассеиваемая тепловая мощность остальных элементов много меньше.

 риемо-передающий модуль АФАР -1

Рис. 1 Приемо-передающий модуль АФАР

Площадь поверхности модуля составляет 9000-10000 мм2. Площадь кристалла выходного усилителя мощности не превышает 25 мм2. Исходя из соотношения площадей, кристалл усилителя можно считать точечным источником тепла. Но и в самом кристалле тепло выделяется не по всей поверхности, а лишь в активной области – транзисторных ячейках. Площадь активной области составляет порядка 1,4 мм2, то есть и в кристалле источник тепла тоже точечный

Во второй главе предложена математическая модель процесса теплопередачи и нагрева активного элемента ППМ АФАР. При формулировке математической модели в данной диссертационной работе использован принцип ортогональности и суперпозиции, согласно которому искомое тепловое поле при действии нескольких тепловых источников в объеме твердого тела может быть представлено как суперпозиция тепловых полей каждого теплового источника в отдельности. Основные источники тепла в приемо-передающем модуле, выходные усилители СВЧ мощности (рис. 2, поз. 1, 2, 3, 4), расположены на верхней поверхности медной прямоугольной пластины на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом они одинаковы по форме, и в каждом из них выделяется одинаковая тепловая мощность.

Рис. 2. Блочная тепловая модель приемо- Рис. 3. Блочная тепловая однослойная мо-

передающего модуля АФАР: дель кристалла усилителя СВЧ мощности:

1, 2, 3, 4 – монолитные интегральные 1, 2 – первый; 3, 4, 5, 6 – второй;

схемы усилителей СВЧ мощности 7 – третий каскады усилителя



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.