CC BY
105
Статья отозвана (ретрагирована) в связи с вновь открывшимися обстоятельствами: отсутствует тот, кто достоин быть автором - А.В. Шишлов, О.А. Грушко, Е.Н. Егоров
Авиационная и ракетно-космическая техника
УДК 621.396.67
Doi: 10.31772/2587-6066-2018-19-3-497-503
Для цитирования: Карцан И. Н., Шангина Е. А., Киселев Г. Г., Ефремова С. В. Повышение над ,жнос СВЧ-каналов модулей активной фазированной антенной решетки. 2018. Т. 19, № 3. С. 497-503XDq 10.31772/2587-6066-2018-19-3-497-503
For citation: Kartsan I. N., Shangina E. A., Kiselev G. G., Efremova S. V. [Increase reliability _ f ultrahigh-frequency channels of the active phased array antenna modules]. Siberian Journal of Science and Technology 2018, Vol. 19, No. 3, P. 497-503 (In Russ.). Doi: 10.31772/2587-6066-2018-19-3-497-503
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СВЧ-КАНАЛОВ МОДУЛЕЙ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
И. Н. Карцан1, Е. А. Шангина2*, Г. Г. Киселев3, С. В. Ефреме
1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени ак Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Крас 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академ: Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского
Штаб Ракетных войск стратегического назз Российская Федерация, 143010, Московская обл., Одинцовский р-н.
*Е-таЛ: [email protected]
М. Ф. Решетнева
абочий», 31 ешетнева» Ленина, 52
сиха, ул. Маршала Жукова, 10
В настоящее время в мире ведутся активные работы по исследованию структуры приёмопередающего модуля активной фазированной антенной решетки (АФАР), а также его составных элементов. Увеличение мощностей АФАР при общей тенденции уменьшения массогабаритных характеристик требует внедрения новых конструктивно-технологических решений, направленных на стабильную работу устройств.
От выбора схемы многоканального модуля и АФАР в целом существенно зависят их показатели надежности, следовательно, и эксплуатационные расходы, которые возможно оптимизировать на этапе проектирования и тем самым минимизировать стоимость эксплуатации всей системы.
Рассмотрено влияние схемных решений модулей и надежности их функциональных узлов на надежностные характеристики АФАР. Показано, что надежности ые характеристики АФАР тем хуже, чем больше СВЧ-каналов в модуле, из чего следует, что очеви ным путем улучшения надежностных характеристик АФАР является переход к одноканальным модулям^Цпиводятся расчетные величины среднего времени нара-
ях отказов
ботки на отказ АФАР при различных сценариях <
: элементов, входящих в модули.
Ключевые слова: активная фазировань ности, космический аппарат.
INCREASE RELL* OF THE
ная решетка, отказы СВЧ-каналов, диаграмма направлен-
F ULTRAHIGH-FREQUENCY CHANNELS PHASED ARRAY ANTENNA MODULES
A. Shangina2*, G. G. Kiselev3, S. V. Efremova1
nev Siberian State University of Science and Technology isnoyar ky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation JSC "Ac? xmician M. F. Reshetnev "Information Satellite Systems" enin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation 3Headquarters of the Strategic Missile Force , vil. Vlasikha, dist. Odintsovo, Moscow region, 143010, Russian Federation *E-mail: [email protected]
Currently ^thew^r/d active work is underway to study the structure of the transmit-receive module of the active phased array ant ~nna (APAA) as well as its composite elements. Their reliability indicators depend significantly on the choice of the multi-channel module and APAA scheme, therefore operational costs that can be optimized at the design stage, thereby minimizing the cost of living of the entire system, also depend on that.
Reli ability indicators essentially depend on the choice of the scheme of the multichannel module and APAA as a whole, therefore also operational cost, which can be optimized at the design stage, thereby minimizing the cost of operating the entire system.
The it fuence of circuit solutions of modules and reliability of their functional nodes on reliability characteristics of A/ A4 is considered in the article. It is shown that the more ultrahigh-frequency (UHF) channels in the module, the
worse the reliability characteristics of APAA. It follows that an obvious way to improve the reliability characteristics of APAA is to switch to single-channel modules. Calculated values of the mean time between failures of APAA are for various failure scenarios of the elements included in the modules.
Keywords: active phased antenna array, ultrahigh-frequency channel failures, directional pattern, space
Введение. Отказ СВЧ-каналов активной фазированной антенной решетки (АФАР) приводит к уменьшению её коэффициента усиления и увеличению уровня боковых лепестков. При этом следует иметь в виду, что для АФАР снижение величины ее энергетического потенциала на передачу и на прием зависит только от числа отказавших СВЧ-каналов и мало зависит от их расположения в апертуре антенны. При равноамплитудном возбуждении СВЧ-каналов расположение вышедших из строя СВЧ-каналов по раскрыву вообще не сказывается на значении уменьшения PG антенны. Совсем иная картина происходит с изменением уровня боковых лепестков. Чем большее число отказавших СВЧ-каналов собрано в группы с заметным числом СВЧ-каналов, тем больше меняется форма диаграммы направленности (ДН) в области боковых лепестков. В роли таких групп могут выступать многоканальные модули, претерпевшие катастрофический отказ. Причинами таких отказов могут быть источники питания или ячейки управления, обслуживающие модуль в целом [1; 2].
При рассмотрении влияния отказов СВЧ-каналов на ДН АФАР следует иметь в виду следующие обстоятельства. Внутри СВЧ-канала модуля передающая и приемная части практически независимы друг от друга. Это означает, что распределения по раскры-ву отказавших приемных и передающих СВЧ-кана разные. В силу этого будут разными и их ДН, в ос< бенности в области боковых лепестков. Угло-ы^ положения увеличившихся по уровню боковых лепестков будут отличаться. Это означает, что ДН аф,р в радиолокационном режиме (как произведение ДН для передающего режима и ДН для приемного режима) в подавляющем числе реализаций будут иметь меньшие ухудшения уровня боковых лепестков, чем каждый из СВЧ-каналов в отдельности.
От выбора схемы многоканального модуля и АФАР в целом существенно висят их показатели надежности, следовательно, и эксплуатационные расходы. На этапе проектирования возможна оптимизация соотношения начальной стоимости аппаратуры и стоимости ее эксплуатации (зависящей от надежностных характеристик), которые обеспечат минимальную стоимость экспл ата ^ и радиосистемы [3-5].
Надежностные характеристики АФАР. Рассмотрим пример влияния схемных решений модулей и надежности их функциональных узлов на надежностные характ ристи^ АФАР в целом. В качестве объекта исследования выберем АФАР, включающую в себя 10 ооо СВЧ-каналов, сгруппированных в мно-уль (МКМ) с различным числом ин-СВЧ-каналов. Архитектура решетки ис. 1
ыше уже отмечалось, что отказы СВЧ-каналов влияют как на энергетические характеристики, так и на уровень боковых лепестков ДН. Оценки показы-
вают, что влияние отказов СВЧ-канало боковых лепестков более критично, чем энергетических характеристик.
S"
Г^ ▼ Л./Г1
СВЧ сигнал
ППК1
ППК 2
•
•
ППКп
фЫ-
алов осо-
Рис. 1. Надежностная схема АФАР: МКМ - многоканальный модуль; ППК - приемопередающий канал; ППКУ - приемо-передающий канальный усилитель; ЯУ - ячейка управления; ИП - источник питания
Fig. 1. Reliability scheme: multichannel module; a receiving-transmitting channel; a receiving-transmitting channel amplifier; control cell; power supply
Будем считать критериями отказа АФАР изменение ее энергетических параметров на -1 дБ либо изменение уровня максимальных боковых лепестков на +3 дБ или +6 дБ. Известно, что снижение величины PG на -1 дБ происходит при отказе около 10 % СВЧ-каналов. Увеличение уровня максимальных боковых лепестков на +3 дБ и +6 дБ происходит при отказе меньшего числа СВЧ-каналов [6-10]. Принятые для исследований значения среднего времени на отказ приведены в табл. 1.
В решетку с количеством элементов 10 000 входят 10 000 приемо-передающих каналов (ППК). Если использовать 8-канальные модули, то в решетку входит 1250 ячеек управления (ЯУ), 1250 источников питания (ИП), 1250 канальных усилителей модулей (ППКУ). При указанных в табл. 1 значениях среднего времени наработки на отказ каждые 10 часов отказывает один ППК, каждые 80 часов - одна ЯУ, каждые 160 часов - один ППКУ, каждые 40 часов - один ИП.
В табл. 2 приведено допустимое количество отказавших модулей при разрешенных увеличениях мак-
симальных боковых лепестков на 3 и 6 дБ. Расчеты выполнены для АФАР, состоящих из 1-, 2-, 4- и 8-канальных модулей.
Соответствующие графики представлены на рис. 2.
Из приведенных результатов можно сделать следующие выводы. В многоканальных модулях возможен отказ всех входящих в модуль СВЧ-каналов при отказе общих для них элементов - узла управления, усилителя-возбудителя и источника питания. При отказах таких элементов допустимая деградация характеристик ДН наступает при значительно меньших количествах отказавших СВЧ-каналов, чем при использовании одноканальных модулей. Это означает, что надежностные характеристики АФАР тем хуже, чем больше СВЧ-каналов в модуле [11-13]. Иллюстрацией этому является табл. 3, в которой приводятся расчетные величины среднего времени наработки на отказ (СВНО) АФАР при различных сценариях отказов элементов, входящих в модули.
Расчеты приведены для 8-канального модуля. В качестве критерия отказа АФАР при расчетах, результаты которых приведены в табл. 3, выбрано увеличение уровня максимальных боковых лепестков на +3 дБ. Подчеркнем, что выбранный критерий может оказаться чрезмерно «суровым» и неоправданным. Аналогичные расчеты могут быть проведены для других критериев отказа АФАР.
В графе 6 табл. 3 приводятся значения СВНО АФАР, обусловленные отказами только одного типа элементов, входящих в модули. В графе 7 приводятся значения СВНО АФАР, обусловленные совместным
влиянием отказов элементов модуля. Из табл. 3 видно, что при естественном процессе функционир ния АФАР одновременно случающиеся отказы всех типов элементов в соответствии с присущими чениями СВНО приводят к тому, что при ваемой архитектуре АФАР ее надежностные р ристики катастрофически деградируют "
Очевидным путем улучшения надежностных характеристик АФАР является переход к одноканаль-ным модулям, включающим в себя весь набор функциональных элементов. В табл. 4 приведены результаты расчета СВНО АФАР из лей, содержащих все фун Критерий отказа АФАР - ув
Как видно из графы 7 нальных модулей имеет сущес ностные характеристик модулей (СВНО бол к снижению стоим Вместе с тем, лей выше сток лей. Баланс пол АФАР может
льных моду-ьные элементы. УБЛ на +3 дБ. АФАР из однока-нно лучшие надеж-АФАР из 8-канальных раза!). Это приводит луатационных расходов. бора одноканальных моду-ора восьмиканальных моду-стоимостей жизни двух вариантов выведен в результате анализа стоимостных характеристик конкретной АФАР.
Можно рассматривать другие схемы АФАР, имеющие более высокое значение их СВНО. Показана архитектура АФАР, в которой применены источники питания с резервированием и канальные усилители с резервированием, имеющие существенно более ю надежность, чем устройства без резервиро-рис. 3).
Таблица 1
Значения средне о времени на отказ
Наименование функционального элемента Среднее время наработки на отказ (СВНО), ч
Приемо-передающий канал 100 000
Ячейка управления 100 000
Приемо-передающий канальный усилитель 200 000
Источник питания 50 000
Допустимое кол
к£ство#гказавших модулей при разрешенных увеличениях ксимальных боковых лепестков
Таблица 2
Число СВЧ-каналов в модуле Увеличение уровня боковых Увеличение уровня боковых
/ч лепестков (УБЛ) на 3дБ лепестков на 6дБ
1 320 650
2 180 410
4 100 210
8 55 110
Расет.
ые величины среднего времени наработки на отказ АФАР при различных сценариях отказов элементов, входящих в модули
Таблица 3
Элемент | Количество модуля | СВНО, ч Интервал отказов, ч Допустимое количество отказов СВНО АФАР, ч Аккумулированное СВНО АФАР, ч
1 2 3 4 5 6 7
ГпК 10 000 100 000 10 320 3200 3200
ЯУ 1250 50 000 40 7 280 257
ППКУ 1250 200 000 160 7 1120 209
ИП 1250 50 000 40 7 280 120
10
Ш
35 2
-О- 1
п 4 -е- 8
200 400 600 _
Количество отказавших элементов
6 8 10 каналов в модуле
б
Рис. 2. Граф и 'и: а - зависимости увеличения УБЛ от количества отказавших элементов для 1-, 4- и 8-канальных модулей; б - зависимости допустимого ко ,иче. тва отказавших элементов от числа СВЧ-каналов в модуле
Fig. 2. Вшепёшсе: a - of the increase in level of side lobes on the number of failed elements for 1, 2, 4 and 8 channel modules; b - the dependence of the permissible number of failed elements on the number of microwave channels in the module
Таблица 4
Результаты расчета СВНО АФАР
Элемент модул. ■ "^Цричество СВНО, ч Интервал отказов,ч Допустимое количество отказов СВНО АФАР, ч Аккумулированное СВНО АФАР, ч
1 2 3 4 5 6 7
ППК 10 000 100 000 10 320 3200 3200
ЯУ 10 000 100 000 10 320 3200 1600
ППКУ 10 000 200 000 20 320 6400 1280
ИП 10 000 100 000 10 320 3200 914
Результаты расчета СВНО АФАР с выбором в качестве критерия отказа увеличение УБЛ
Таблица 5
Элемент Количество СВНО, ч Интервал Допустимое СВНО Аккумулирован* ое
модуля отказов,ч количество отказов АФАР, ч СВНО АФАР, ч
1 2 3 4 5 6
ППК 10 000 100 000 10 650 6500
ЯУ 10 000 100 000 10 650 6500 3250
ММ
мкм
к\
ММ
мм
• • •
мм
Рис. 3. Структурная сх< КУ - канальный усилитель; РВ - ре1 РИП - резервированный ирто41 ЯУ - ячейка управл!
ЯУ
ЯУ
ЯУ
! 4
МММ N
повышенной надежностью: анный усилитель; ИП - источник питания; .питания; МКМ - многоканальный модуль; ПК - приемо-передающий канал
Fig. 3. StruotUTSkdiagiafc of APAA with increased reliability: channel amplifier; theieSErvM amplifier; power supply; redundant power supply; multichannel m ,dule; control cell; a transceiver channel
с выбором ие УБЛ на +6 дБ
Результаты расчета СВНО та ой . в качестве критерия отказа увелич приведены в табл. 5.
Из графы 7 табл. 5 ви, но, чт * изменения структурной схемы и некоторое с 'ягч^ ние критерия отказа АФАР приводят к дальнейшему увеличению СВНО
при такой архитектуре епестков ДН в радиоло-положительно влиять разов передающих и приемных
АФАР в 3,5 раза. К АФАР на уровень бо кационном режиме бу личие в статистике отка СВЧ-каналов модул
Изложенное показывает, что такие важные характеристики АФАР, как их начальная стоимость, стоимость эксплуатации в пределах назначенного срока службы , опр оделяются критериями ее параметрических отказов.
а1енные выше результаты исследований вы для случаев полного (катастрофическо-модулей или их отдельных СВЧ-каналов.
На практике наряду с такими отказами имеют место параметрические отказы - снижение коэффициентов усиления в передающем и приемном СВЧ-каналах, «залипание» отдельных разрядов фазовращателей или аттенюаторов и т. д. Такие отказы влияют на изменение ДН несколько меньше.
Приведенные выше расчеты надежности сделаны в предположении, что аппаратура АФАР не ремонтируется за время эксплуатации. Во многих радиосистемах с АФАР, которые обслуживаются и в которых вышедшие из строя блоки и модули заменяются при регламентных работах, показатели надежности существенно выше приведенных.
Уместно сделать следующее замечание. Если известны признаки отказов в СВЧ-каналах модулей (их координаты в раскрыве АФАР, характер отказов), то чисто программными средствами может быть частично осуществлена операция уменьшения уровня всплесков боковых лепестков, вызванных физической
деградацией СВЧ-каналов [15]. Очевидно, что при выполнении такой операции произойдет дополнительное ухудшение направленных свойств АФАР. Но выше уже отмечалось, что именно уровень боковых лепестков является более чувствительным параметром по отношению к изменению амплитудно-фазовых распределений в раскрыве АФАР.
Заключение. Таким образом, наличие в составе АФАР достоверной системы контроля реального состояния СВЧ-каналов модулей в сочетании с возможностями специализированных программных средств управления коэффициентами передачи СВЧ-каналов позволяет снизить влияние отказов на УБЛ и существенно улучшить показатели надежности АФАР за счет повышения среднего времени наработки на отказ. Реализация такого приема является дополнительным средством повышения экономической эффективности АФАР путем усовершенствования ее архитектуры.
Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение № 14.577.21.0220, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57716X0220).
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).
Библиографические ссылки
1. Тушнов П. А., Бердыев В. С., Левитан Б. А^ Аспекты развития технологий приемо-передающих модулей активных фазированных решеток // Ради техника. 2015. № 4. С. 91-98.
2. Воскресенский Д. И. Активные фазирова антенные решетки / под ред. Д. И. Воскре* А. И. Канащенкова. М. : Радиотехника, 2004. С
3. Дмитриев Д. Д., Карцан И. Н. Ад; тенные решетки с цифровым формированием луча // Решетневские чтения : материалы Междунаг. науч-практ. конф. 2016. С. 263-265.
4. Зависимость характеристик й фазиро-
ванной антенной решетки от наработки / И. Н. Карцан [и др.] // Научный альманах. 2017. № 7-1 (33). С. 189-192.
5. Шангина Е. А., Патр аев В. Е. Оценка надежности перспективных космических комплексов // Исследование наукограда. 2015. № 1 (11). C. 28-31.
6. Шангина Е. А.^^ВДраев В. Е. Формирование оптимизированных требований по надежности к перспективным космическим комплексам экспериментального назначения // Космическое приборостроение : материалы III Всерос. форума школьников, студентов, аспирантов и м олодых ученых с междунар. участием. Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 20©*lj|iJ1.
7. /Igoi/hms for adaptive processing of signals in a flat pja|d antenna array / V. N. Tyapkin [et al.] // 2017 Intermtionll^Siberian Conference on Control and Com-
EcatMns, SIBCON 2017 (Astana, Kazakhstan, 29-30 Jure, 201' ). 2017. DOI: 10.1109/SIBC0N.2017.7998452.
8. Гостюхин А. В., Трусов В. Н. Коррекция характеристик направленности АФАР при отказах Антенны. 2003. Вып. 3-4 (70-71). С. 15-23.
9. Сабиров Т. Р. Характеристики излучения пе дающей АФАР при отказах каналов ус Радиолокация и радиосвязь : доклады науч.-техн. конф. (19-22 нояб. 2012, г. Изд-во JRE - ИРЭ им. В. А. Котельникова ! Т. 2. С. 133-135.
10. Дмитриев Д. Д., Тяпкин В.Ь, Кр!мез Н. С. Методы адаптации фазированных антенных решеток к помехам в спутниковых радионавигационных системах // Радиотехника. 2013. №¿.1^9-43.
11. Повышение эффективности передающих АФАР за счет управления выходной мощностью каналов приемо-передающих модулей / В. С. Бердыев [и др.] // Радиотехника/аЦ^о 10. С. 88-99.
12. Пространств' нное подавление помех при различных конфигурациях антенной решетки угломерной
В. Н. Тяпкин [и др.] // Нау-Т. 17, № 8. С. 52-56. algorithm for interference sup-antenna arrays / I. N. Kartsan
навигационной а коемкие техно
13. An a pression in phas [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. № 255 (1). С. 012009. DOI: 10.1088/1757-899X/255/1/012009.
14. Устройства СВЧ и антенны / под ред. Д. И. Воскресенского. 2-е. изд. М. : Радиотехника, 2006. 376 с.
Влияние рабочей температуры на характери-излучения АФАР / И. Н. Карцан [и др.] // ирский журнал науки и технологий. 2017. Т. 3, 8. С. 575-579.
References
1. Tushnov P. A., Berdyev V. S., Levitan B. A. Aspects of the development of the technologies of the transmit modules of active phased arrays. Radiotechnics. 2015, No. 4, С. 91-98.
2. Voskresenskii D. I., Kanaschenkov A. P. (eds.) [Active phased antenna arrays]. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2004. P. 488.
3. Dmitriev D. D., Kartsan I. N. [Adaptive antenna arrays with digital beamforming]. Reshetnevskiye tchteniya [Proceedings of XVII International. Scientific. Conf. "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2016, Vol. 1, No. 20, P. 263-265 (In Russ.).
4. Kartsan I. N., Kiseleva E. A., Logacheva A. I., Kartsan T. I. [Dependence of the characteristics of the active phased array antenna on the time]. Science Almanac. 2017, No. 7-1(33), P. 189-192. DOI: 10.17117/na.2017.07.01.189 (In Russ.).
5. Shangina A. E. Estimation of reliability of perspective space complexes. Research of science city. 2015, No. 1 (11), P. 28-31.
6. Shangina A. E. Сreation of optimized reliability requirements for promising experimental natured space complexes. Space Instrumentation: Proceedings of the III National Forum of pupils, students, post-graduate students and young scientists with international participation. Tomsk, Tomsk Polytechnic University Publ., 2015, Р. 91.
7. Tyapkin V. N., Kartsan I. N., Dmitriev D. D., Efremova S. V. Algorithms for adaptive processing of signals in a flat phased antenna array. 2017 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2017 (Astana, Kazakhstan, 29-30 June 2017). 2017. DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998452.
8. Gostiukhin A. V., Trusov V. N. [The correction of active phased antenna arrays directivity during failure of active modules]. Antenny. 2003, Vol. 3-4 (70-71), P. 15-23 (In Russ.).
9. Sabirov T. R. [The characteristics of radiation of a transmitting active phased antenna array]. Proceedings of the 6th All-Russian scientific research conference "Ra-diolokatsiia i radiosviaz'" (Moscow, 19-22 November 2012). 2012, Vol. 2, P. 133-135 (In Russ.).
10. Dmitriev D. D., Tyapkin V. N., Kremez N. S. [Methods of adaptation of the phased antenna array to noise in satellite radio navigational systems]. Radio-tekhnika. 2013, No. 9, P. 39-43 (In Russ.).
11. Berdyev V. S., Levitan B. A., Tushnov P. A., Shishlov A. V. [Increase the efficiency of the transmitting APAA by controlling the output power of the channels of the transmit / receive modules]. Radiotechnics. 2016, No. 10, P. 88-99.
12. Tyapkin V. N., Garin E. N., Ratushniak V. N. Gladyshev A. D. [The spatial noise suppression in configurations goniometric of navigation equi; Naukoenkie tekhnologii. 2016, Vol. 17, No (In Russ.).
13. Kartsan I. N., Tyapkin V. N., D: Goncharov A. E., Kovalev I. V. An ada for interference suppression in phased anten a arrays. IOP Conference Series: Materials Sience end Engineering. 2017, Vol. 255 (1) 10.1088/1757-899X/255/1/012009
14. Voskresensky D. I., Gosi mov V. M., Ponomarev L. I. V~*roy> [Ultra-high frequency devio Radiotekhnika Publ., 2006
15. Kartsan I. N.
Logacheva A. I., Gore-its influence on the Siberian Journal Vol. 18, No. 3,
L., Maksi-a SVCh i antenny ennas]. Moscow,
ova s. V., Shangina E. A., erating temperature and of phased antenna arrays].
and Technology. 2017, Russ.).
© Карцан И. Н., Шангина Е. А., Киселев Г. Г., Ефремова С. В., 2018
